Новый материал в 10 раз прочнее кевлара
Исследователи разработали новый аморфный материал на основе карбида кремния с пределом текучести в десять раз больше, чем у кевлара. Также было показано, что он обладает идеальными механическими свойствами для виброизоляции электронных чипов. Это означает, что его можно использовать в широком спектре применений — от вычислительной техники и технологий зеленой энергетики до высокопроизводительных биомедицинских устройств.
Достижения в области нанотехнологий произвели революцию во многих областях, от защитных покрытий до полупроводниковых материалов. Среди наиболее изученных благодаря своей превосходной стойкости — например, покрытия на основе графена и алмаза. Однако эти материалы сложно производить в больших количествах, они редко встречаются в природе и очень дороги в синтезе.
Для преодоления этих проблем все большее внимание уделяется материалам на основе аморфного карбида кремния (a-SiC), которые отличаются высокой механической прочностью и универсальностью. Фактически, они обладают значительными преимуществами по сравнению с кристаллическими материалами, такими как алмаз. Они имеют регулярную атомную структуру, в которой атомы углерода идеально выровнены. Их можно сравнить с регулярно выстраиваемыми конструкциями «Лего» — эта регулярность и обусловливает их невероятную прочность.
Аморфные материалы, напротив, имеют нерегулярную структуру, их атомы расположены беспорядочно. И, вопреки логическим ожиданиям, эта нерегулярность никак не влияет на их прочность. «На самом деле аморфный карбид кремния свидетельствует о прочности, которая возникает благодаря такой хаотичности«, — объясняет Ричард А. Норте из Делфтского технологического университета (Нидерланды). Такое беспорядочное расположение позволяет им адаптироваться к различным подложкам и легко производиться с высокой производительностью, не говоря уже об их устойчивости к механическому износу и химической коррозии.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials, Норте и его коллеги проверили работоспособность a-SiC, приложив к нему очень большие растягивающие усилия — режим испытаний, обычно применяемый для сверхпрочных кристаллических и двумерных материалов, таких как графен. Результаты этого исследования могут открыть путь к широкому применению в аэрокосмической технике, технологиях обнаружения (например, в секвенаторах ДНК), высокопроизводительных солнечных батареях, сверхчувствительных датчиках микрочипов и квантовых вычислениях.
Сопротивление, почти сравнимое с сопротивлением алмаза и графена
Для проверки характеристик своего нового материала исследователи разработали инновационную технику нанопроизводства, которая полностью отличается от традиционных методов. Последние с большой вероятностью могут привести к искаженным результатам, в частности, из-за неточностей в способе закрепления (или стабилизации) материала.
Для оценки прочности на разрыв тонкие пленки a-SiC выращивались и закреплялись в кремниевой подложке. «Высокая селективность между тонкой пленкой и подложкой обеспечивает более высокую производительность и точность при изготовлении взвешенных наноструктур«, — поясняют исследователи в своей статье. Затем пленки были геометрически заужены, чтобы приложить механическое напряжение до достижения точки разрыва. Другими словами, они использовали геометрию наноструктур, чтобы вызвать возрастающие растягивающие усилия.
«Наноструктуры — это фундаментальные строительные блоки, та самая основа, которая может быть использована для создания более сложных структур. Демонстрация высокого предела текучести в наноструктуре означает демонстрацию прочности в ее самой базовой форме«, — объясняет Норте. Помимо прочего, такой подход может принести пользу технологиям микрочиповых датчиков, так как позволяет повысить точность измерений и проложить путь к новой методике оценки характеристик материалов.
Результаты показали, что новый материал может выдерживать растягивающее напряжение в 10 гигапаскалей, то есть предел текучести в 10 раз больше, чем у кевлара (обычно используемого для изготовления пуленепробиваемых жилетов). Такое механическое напряжение эквивалентно тяге дюжины автомобилей среднего размера и почти сопоставимо с тем, которому могут противостоять алмаз и графен. Кроме того, это самая высокая прочность на разрыв, когда-либо измеренная для наноструктурированного аморфного материала.
Помимо невероятной прочности, материал также продемонстрировал механические свойства, которые идеально подходят для виброизоляции электронных чипов. Это позволяет предположить, что он будет особенно пригоден для производства сверхчувствительных датчиков для микрочипов. «С появлением аморфного карбида кремния мы оказались на пороге исследований микрочипов, полных технологических возможностей«, — заключает Норте.