Хотя попытки получить особо прочные структуры из металлов и графена уже предпринимались, искомого удалось добиться только теперь. Всё дело, как выяснилось, в правильном подборе слоёв.

Сеунг Мин (Seung Min) из Корейского научно-технического института передовых исследований (KAIST) вместе с коллегами создал новый композитный материал с необычным компонентом — графеном.

Графен и сам по себе довольно прочен (в 200 раз прочнее стали), при этом его можно сгибать и вытягивать без потери механических свойств. Но у него есть проблемы, среди которых — дороговизна и отсутствие способов действительно массового производства. В этом смысле его использование в композитах перспективно: поскольку графен — материал одноатомной толщины, для армирования (по сравнению с другими материалами) его надо не так много.

Рис. 1. Схема выращивания нанокомпозита (здесь и ниже иллюстрации KAIST).

Корейские материаловеды получили композит с графеном в виде центрального слоя между листами меди и никеля. В итоге прочность первого металла повысилась в 500, а второго — в 180 раз относительно показателей чистых веществ.

Американские исследователи, представляющие армейскую науку, уже разработали наноматериал, в котором металлы армировались графеном, но увеличения его прочности добиться не удалось, и причины этого не были ясны.

Корейцы же, чтобы избежать подобного фиаско, представили многослойную структуру из металлов и графена с использованием химического парофазного осаждения, напыляя графен на металл, а затем повторяя процесс, всякий раз с использованием лишь однослойного графена, чего прежде сделать не удавалось.

Как выяснилось,

ключевым в этом техпроцессе было расстояние между отдельными пластами «бутерброда» — толщина металлических слоёв. Выдерживая её на уровне 70 нм, удалось достичь прочности в сотни раз выше нормальной для чистой меди, то есть материал был прочнее алюминиевых сплавов. С никелем подобный «зазор» не сработал, и оптимальным оказалось расстояние в 180 нм.

Как отмечают учёные,

чем меньше зазор, тем труднее дислокациям в металлах начать движение при деформации от нагрузки. Следовательно, такое сближение увеличивает прочность.

А самое любопытное вот в чём:

графен, составлявший 0,00004% от общего веса композита, дал разницу в прочности в сотни раз.

Рис. 2. Когда прослойки металла между графеновыми слоями тоньше определенного уровня, перемещение дислокаций, с которого начинается деформация, становится весьма трудным.

Нет, конечно, слова учёных о том, что прокатная технология или спекание могли бы сделать такой процесс пригодным для использования в автомобилестроении, пока следует считать чересчур оптимистичными: слишком уж дорог графен, но, разумеется, при его удешевлении эти заявления могут стать былью. Кстати, другое упомянутое применение — производство космических кораблей — имеет смысл уже сегодня, хотя поначалу лишь для небольших спутников. Там повышение прочности в сотни раз при той же плотности может значительно уменьшить массу, которую требуется вывести на орбиту, и, следовательно, удешевить запуск космического аппарата.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Communications.