211service.com
Det starkaste materialet som någonsin testats
Materialforskare har lovsjungit grafen sedan det först isolerades 2005. De enatomtjocka kolskikten leder elektroner bättre än kisel och har gjorts till snabba lågeffekttransistorer. Nu, för första gången, har forskare mätt grafenens inneboende styrka, och de har bekräftat att det är det starkaste materialet som någonsin testats. Fyndet ger goda bevis för att grafentransistorer kan ta värmen i framtida ultrasnabba mikroprocessorer.
Starkast material: Genom att trycka ner en vass diamantsond i grafen tills den gick sönder, slog forskare fast att materialet är det starkaste som någonsin testats. Den här bilden, en illustration, visar atomstrukturen hos grafen, som är en atom tjock och består av kol och väte ordnade i ett kycklingtrådsliknande nät.
Jeffrey Kysar och James Hone , mekaniska ingenjörsprofessorer vid Columbia University, testade grafens styrka på atomnivå genom att mäta kraften som det tog att bryta den. De ristade en mikrometer breda hål i en kiselwafer, placerade ett perfekt prov av grafen över varje hål, och sedan indragen grafen med en vass sond gjord av diamant. Sådana mätningar hade aldrig gjorts tidigare eftersom de måste utföras på perfekta prover av grafen, utan revor eller saknade atomer, säger Kysar och Hone.
Hone jämför sitt test med att sträcka en bit plastfolie över toppen av en kaffekopp och mäta kraften som krävs för att punktera den med en penna. Om han kunde få en tillräckligt stor bit av materialet för att ligga över toppen av en kaffekopp, säger han, skulle grafen vara tillräckligt stark för att bära vikten av en bil som är balanserad ovanpå pennan.
Det är osannolikt att grafens otroliga styrka kommer att användas i en sådan uppgift. På den makroskopiska nivån av kaffekoppar och bilar kommer vilket material som helst att vara fullt av sprickor och skavanker, säger Kysar. Det är i nivå med sådana sprickor och brister som flygplansvingar och brostöd misslyckas. Bara ett litet prov kan vara perfekt och superstarkt, säger Hone.
Mätningarna är dock ännu en demonstration av grafenens anmärkningsvärda egenskaper. Vi visste att grafen var det starkaste materialet; detta arbete bekräftar det, säger Konstantin Novoselov , en stipendiat vid University of Manchester, som var den första att isolera tvådimensionella ark av materialet.
Materialets styrka är särskilt goda nyheter för de inom halvledarindustrin som hoppas kunna göra datorer snabbare genom att utveckla mikroprocessorer som använder grafentransistorer. Huvudansvaret för mikroprocessindustrin är påfrestningar, säger Julia Greer , en materialforskare vid Caltech. Materialen som används för att tillverka transistorer måste inte bara ha goda elektriska egenskaper, utan de måste också kunna överleva påfrestningarna från tillverkningsprocesser och värmen som genereras av upprepade operationer. De processer som används för att mönstra elektriska anslutningar av metall på mikroprocessorer utövar till exempel påfrestningar som kan få chips att misslyckas. Och, säger Greer, det största hindret för att göra snabbare mikroprocessorer är att värmen är för mycket för material att ta emot. Baserat på mätningar av dess styrka kunde grafentransistorer ta emot värmen.
Grafen är den grundläggande byggstenen i flera andra tredimensionella nanostrukturer som består av kol, inklusive nanorör och buckyballs, ihåliga fotbollsbollformade molekyler. I teorin är ett nanorör upprullat grafen, så det borde ha samma styrka, säger Hone. I verkligheten har dock de flesta nanorör små brister - en atom saknas här eller där. När du drar i ett nanorör, säger Hone, går det sönder på vilken plats som helst där det finns en defekt.
Den mekaniska styrkan hos grafen på nanoskala kan visa sig användbar för andra tillämpningar än i transistorer för mikroprocessorer. Materialet skulle till exempel kunna fungera som en hållbar, mekaniskt manövrerad elektrisk strömbrytare för kommunikationsenheter inklusive mobiltelefoner och avancerad radar, säger Kysar.
Även om den mesta forskningen om nanomaterial har fokuserat på deras elektriska, optiska och kemiska egenskaper, kontrollerar mekaniska egenskaper mer än det kan verka, säger Greer. Befintliga databaser över materialstyrka tar inte hänsyn till skillnader i styrka på nanoskala. Men nu kommer åtminstone forskare som testar styrkan hos nanomaterial att ha ett rekord att skjuta på.