Ученые нашли способ структурно усилить графен в два раза

Материал графен представляет собой двумерную модификацию углерода толщиной в один атом с кристаллической решеткой гексагонального вида. Ученые очень заинтересованы в этом материале, поскольку он обладает рядом свойств, делающих его практически универсальным и применимым в совершено любой сфере производства. А еще этот материал теоретически считается самым прочным веществом в мире.

Материаловеды из Университета Райса в Хьюстоне (США) нашли способ, как сделать графен существенно прочнее его изначального состояния благодаря включенным в его структуру углеродным нанотрубкам. Исследователи также сообщают, что смогли добиться в трехмерных структурах на основе графена уровня прочности до 10 раз превышающего изначальный показатель. О результатах проделанной работы ученые поделились в журнале ACS Nano.

«Мы продемонстрировали возможность выращивать графен с интегрированными нанотрубками. Мы называем такой графен арматурным. Но в отличии от того же арматурного бетона, где для упрочнения структуры используются стальные прутья, в арматурном графене мы используем углеродные нанотрубки»,

— объясняет глава исследования Джеймс Тур, профессор материаловедения и наноинженерии из Университета Райса.

Несмотря на свою прочность, в 100 раз превышающую прочность стали, объясняет профессор Тур, структурные дефекты в местах соединения кристаллической решетки, а также его тонкость способны снижать изломостойкость материала. На практике это означает, что графен не способен достичь своего теоретического максимума прочности. Однако интеграция углеродных нанотрубок в структуру графена в процессе его производства позволяет его усилить и снизить вероятность трещин в его кристаллической решетке.

Само производство арматурного графена выглядит следующим образом. Сначала ученые создали нанонтрубки, обернув вокруг медной подложки одноатомный слой углерода, а уже затем приступили к выращиванию графена вокруг созданных углеродных нанотрубок с помощью процесса плазмохимического осаждения из газовой фазы.

«Это привело к появлению химической ковалентной связи между графеновым слоем и нанотрубками», — говорит Тур.

С практической точки зрения новый процесс производства структурно усиленного графена не наделяет материал новыми свойствами, но весьма значительно увеличивает возможность его применения в реальных условиях, поскольку его реальная эффективность чаще всего ограничивается лишь слабыми звеньями в его структуре.

«Это позволяет делать с графеном те вещи, которые изначально предполагались, но небыли возможны из-за вероятных дефектов», — говорит Тур.

В предыдущих тестах ученые из Университета Райса установили, что показатель естественной изломостойкости обычного графена составляет 4 мегапаскаля. Проверка арматурного графена в среднем показала изломостойкость на уровне 10,7 мегапаскаля. Как уже отмечалось выше, разница становится еще более очевидной при использовании созданных на базе графена трехмерных структур.

Далее ученые хотят подумать над тем, как масштабировать производственный процесс, сделав свое открытие реально практичным и применимым в реальных условиях.

«Мы хотим добиться масштабируемости производства, чтобы такой усиленный графен можно было создавать в больших объемах. Это реально изменило бы многие вещи. Именно к этому мы стремимся», — добавил Тур.