Исследователи из MIT нашли способ эффективного создания композитных материалов, содержащих сотни слоев атомной толщины, но охватывающих всю ширину материала. Этот способ может открыть широкие возможности для разработки новых, простых в изготовлении композиционных материалов для оптических приборов, электронных систем и высокотехнологичных материалов. Работа была представлена на этой неделе в статье в журнале Science.

Такие материалы, как графен – двумерная форма чистого углерода – и углеродные нанотрубки, крошечные цилиндры, которые по сути изготовлены из графена, являются «одними из самых прочных и самых твердых материалов, которые мы имеем в наличии,» – говорят исследователи, поскольку химические углерод-углеродные связи являются самыми прочными. Поэтому исследователи ищут способы использования этих наноматериалов, для того чтобы придать прочность композитным материалам.

Самым большим препятствием к этому было нахождение способа включить эти материалы в матрицу другого материала упорядоченным образом. Эти крошечные листы и трубки имеют сильную тенденцию к комкованию, так что простое смешивание их в жидкой смоле не работает. Команда MIT искала метод создания большого количества слоев, уложенных совершенно упорядоченным образом, без необходимости накладывать каждый слой по отдельности.

Хотя этот процесс и является более сложным, чем звучит на словах, но в его основе лежит методика аналогичная той, которая используется при создании сверхпрочных лезвий стальных мечей и слоеного теста. Материал – будь то сталь, тесто, или графен – наносится с помощью плоских слоев. Затем материал сгибается и плоский слой наносится снова и снова. При каждом сгибе количество слоев удваивается.

Но на наноуровне это работает немного по-другому. В этом исследовании материал не складывали, а перерезали весь блок – состоящий из чередующихся слоев графена и композитного материала – на четвертинки, а затем складывали одну четверть поверх другой, вчетверо увеличивая количество слоев, а затем повторяли процесс. Но результат был тот же: рост однородных слоев, быстрое производство, и уже внедренная в материал матрица, в этом случае поликарбонат, формировали композиционный материал.

Для доказательства правильности концепции команда MIT создала композиты, включающие 320 слоев графена. Они были в состоянии продемонстрировать, что даже несмотря на минимальное общее количество графена в материале – менее 0,1 процента по весу – это привело к увеличению общей прочности.

Команда также нашла способ делать структурированные волокна из графена, в будущем это может позволить создавать волокна и ткани с внедренными электронными функциями, а также еще один класс композиционных материалов. Метод использует механизм сдвига, отшелушивая слои графена таким образом, чтобы они скатывались в форму, технически известную как «Архимедова спираль». Это может преодолеть один из самых больших недостатков графена и нанотрубок, с точки зрения их способности быть сплетенными в длинных волокна – их крайнюю скользкость. Потому что они настолько идеально гладкие, что скользят относительно друг друга, а не слипаются. А новый метод не только преодолевает эту проблему, но и в результате создаются очень эластичные волокна, в отличие от других суперпрочных материалов, таких как кевлар. Это означает, что они могли бы использоваться в защитных материалах.

Неожиданной особенностью новых слоистых композитов, стало то, что графеновые слои, которые являются чрезвычайно электропроводящими, обладают непрерывностью через весь композит без короткого замыкания между соседними слоями. Поэтому, например, просто вставив электрический датчик до некоторой точной глубины, можно однозначно узнать свойства любого из сотен слоев. Это в конечном счете может привести к появлению новых видов сложной многослойной электроники.