Ученые открыли новую смешанную форму углерода
Международная группа ученых из Китая и США открыла новую форму углерода. Она представляет собой листы графена, скрепленные между собой за счет того, что часть атомов в них имеют sp3-гибридизацию. Полученный материал совмещает в себе прочность и упругость. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Различные формы углерода отличаются в том числе и по гибридизации составляющих их атомов. Упрощенно гибридизацию можно представить как конфигурацию электронных орбиталей атомов в молекуле, которая определяет особенности и расположение ковалентных связей между ними. Это в свою очередь определяет свойства всего материала. Так, твердый алмаз полностью состоит из углерода в состоянии sp3-гибридизации, а гибкий графен из атомов с sp2-гибридизацией. Ученые решили, что комбинация разных типов гибридизации позволит создать материал с интересными свойствами.
Для того, чтобы получить такой материал, исследователи использовали в качестве исходного сырья стеклоуглерод — неупорядоченную форму углерода, состоящую из sp2-гибридизированных атомов, образующих хаотично расположенные шестиугольники. Образцы стеклоуглерода подвергались давлению до 25 гигапаскаль (около 250 тысяч атмосфер) и нагреванию до 1100 градусов Цельсия. В результате, исследователи обнаружили, что при некоторых условиях материал образовывал графеноподобную структуру, в некоторых местах которой углеродные атомы имели sp3-гибридизацию, за счет чего «сшивали» листы графена между собой. Доля таких атомов варьировалась от 9±2 до 22±5 процентов и была выше у образцов, обработанных при более высоких температурах. Полученная структура на малых масштабах была похожа на сшитые листы графена, но в масштабах всего образца была неупорядочена.
Полученный учеными материал оказался прочным и твердым, но в то же время и эластичным — он восстанавливал свою структуру после локальных деформаций, таких как индентирование. Исследователи считают, что эти свойства в сочетании с низким весом материала позволят использовать его в самых различных областях, к примеру для создания защитных элементов военной техники.
Несмотря на то, что исследованиям углерода посвящено огромное количество работ, ученые все еще находят новые его формы. К примеру, в 2015 году американские материаловеды получили ферромагнитный материал на его основе, в котором часть атомов так же находилась в состоянии sp3-гибридизации, а часть в sp2. А в начале 2017 года немецким химикам удалось создать рекордное соединение, в котором атомы углерода были одновременно связаны с шестью другими углеродными атомами.
Григорий Копиев
При каждом нажатии он меняет структуру, не забывая о предыдущих изменениях
Физики создали механический метаматериал с эффектом памяти, который можно использовать как примитивный счетчик до десяти. Этот материал представляет собой массив из десяти деформируемых ячеек, каждая из которых может находиться в одном из двух состояний, меняющихся при нажатии. При этом предыдущих изменений материал не забывает. В будущем счетчики с подобной конструкцией могут оказаться полезными для мягкой робототехники и умных сенсоров, пишут ученые в Physical Review Letters. Свойства метаматериалов определяются в первую очередь не химическим строением, а геометрической микроструктурой (например, расположением слоев различных веществ или периодичностью атомной решетки) и для них характерны аномальные значения различных физических параметров. Например, если растягивать в продольном направлении ауксетики, обладающие отрицательным значения коэффициента Пуассона, то в перпендикулярном направлении они расширяются (в то время как обычные материалы сжимаются). Ученые работают и над метаматериалами, обладающими памятью: они запоминают воздействие и реагируют на него сменой физических свойств. Например, если нагреть полимер с памятью формы, он вернет исходную (до деформации) форму. Однако такие материалы запоминают лишь начальное состояние, запомнить несколько последовательно меняющихся состояний им не под силу. Физики Мартин ван Хеке (Martin van Hecke) и Леннард Квакернак (Lennard Kwakernaak) из Лейденского университета разработали метаматериал, у которого память о предыдущих деформациях не сбрасывается. Храня информацию о предыдущих воздействиях, такой материал фактически способен считать: он запоминает каждое нажатие, последовательно меняя свою структуру. Ученые сделали материал на 3D-принтере из стоматологической силиконовой смеси для слепков. Он состоит из отдельных ячеек, каждая из которых включает в себя две балки: одну тонкую и одну толстую. Тонкая балка может изгибаться либо влево, либо вправо. Толстая балка служит перегородкой, отделяя ячейки материала друг от друга. Значение критической деформации для толстой и тонкой балок различны, поэтому одного нажатия достаточно для сгибания тонкой балки и частичной деформации толстой. Наличие толстой балки также не дает деформироваться тонкой балке в соседней ячейке. Материал считает следующим образом. В начальном состоянии {000...0} все тонкие балки изогнуты влево. При каждом изменении направления изгиба тонкой балки 0 меняется на 1. Превышая первым нажатием критическую деформацию тонкой балки, систему выводят в состояние {100...0}. После каждого следующего нажатия крайняя слева балка изгибается в правую сторону. Толстая балка при этом не деформируется, но за счет конструкции сгибает следующую тонкую. То есть система копирует состояние изогнутой вправо тонкой балки (1) с каждым нажатием на одну ячейку правее. В терминах нулей и единиц, подсчет можно записать как {000...0} → {100...0} → {110...0}→··· → {111...1}. До скольки может досчитать материал, зависит от числа ячеек и начального состояния системы, память метаматериала сохраняется до конца подсчета. По словам авторов работы, такой метаматериал с эффектом памяти фактически представляет собой простейший компьютер, который можно запрограммировать на счет с любого начального числа. Его работу ученые проверили, фиксируя значения критических деформаций и начиная счет с различных начальных чисел. Материаловеды отмечают, что такой счетчик из метаматериала можно изготовить и из других веществ, например каучука или полиуретана. В будущем из аналогичных ячеек ученые планируют собирать и двумерные массивы, на которых можно будет проводить более сложные вычислительные операции Метаматериалы хороши не только в счете: они помогают решать уравнения со скоростью света, а еще их можно превратить в непрерывные кристаллы времени.