В новом исследовании ученые из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне определили, сколько энергии требуется для изгиба многослойного графена. Их работа опубликована в журнале Nature Materials.

Графен — это одиночный слой графита. В отличие от своего «отца» он обладает рядом удивительных свойств, среди которых электрическое сопротивление, устойчивость к нагрузкам и возможность создания на его основе огромного класса химических веществ. В настоящее время популярнее становится многослойный графен — одна из версий этого материала, в которой монослои «склеены» друг с другом слабыми межслоевыми взаимодействиями.

Большая часть современных исследований графена направлена на разработку наноразмерных электронных устройств. Тем не менее исследователи говорят, что многие технологии — от растяжимой электроники до крошечных роботов, настолько маленьких, что их нельзя увидеть невооруженным глазом, — требуют понимания механики графена, особенно его способности изгибаться.

Ранее ученые уже исследовали этот материал и пытались вычислить силу, необходимую для его изгиба. Но проблема в том, что зачастую научные группы приходили к значениям, которые отличаются друг от друга на порядки. В новой работе сотрудники Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне выяснили, почему измерения исследовательских групп расходились.

Оказалось, что во всех научных работах ученые сгибали материал либо слишком сильно, либо слишком слабо. По словам исследователей, когда вы немного сгибаете многослойный графен, он действует больше как жесткая пластина или кусок дерева. А при сильном сгибании он действует как стопка бумаги, где атомарные слои могут скользить друг мимо друга.

«Наша работа показывает, что на самом деле все научные группы были правы, — отмечает соавтор исследования, профессор Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне Аренд ван дер Занде. — Каждая группа измеряла что-то свое. То, что мы обнаружили, является моделью для объяснения всех разногласий, показывая, как они все связаны друг с другом через различные степени изгиба».

Чтобы сделать изогнутый графен, ученые изготовили отдельные атомные слои гексагонального нитрида бора — другого двумерного материала, — а затем «приклеили» графен поверх него. Используя сфокусированный ионный луч, исследователи вырезали кусок материала и с помощью электронного микроскопа изучили его атомную структуру, чтобы увидеть, где находится каждый слой графена.

Затем команда разработала набор уравнений и моделей для расчета жесткости при изгибе этого материала — она составила от 1,2 до 1,7 эВ. Поместив несколько слоев графена на ступеньку высотой всего от одного до пяти атомов, исследователи создали контролируемый и точный способ измерения того, как материал будет сгибаться при разных внешних напряжениях. Оказалось, что жесткость представляет собой функцию от угла изгиба.