Сильный изгиб смягчил многослойный графен
Американские ученые экспериментально определили и подтвердили расчетами энергию изгибания пленки из многослойного (до 12 слоев) графена. Оказалось, что при углах большe 40 градусов слои скользили друг относительно друга без трения и каждая из плоскостей обладала одним и тем же значением жесткости при изгибе (около полутора электронвольт). А жесткость графена из десяти слоев оказалась на три порядка ниже, чем предсказывали привычные методы механики тонких пленок. Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.
Графен совмещает в себе гибкость, прочность, электронную проводимость и легковесность, что делает его привлекательным материалом для создания гибких электронных устройств и нанороботов. Однако механические свойства графеновых материалов, которые важно учитывать при разработке новых устройств, все еще не до конца изучены.
Эдмунд Хан (Edmund Han) с коллегами из Иллинойского университета в Урбана-Шампейне создали гетероструктуры из ступеней из гексагонального нитрида бора разной высоты, покрытых пленкой многослойного графена (толщиной от одного до 12 слоев), и изучали их жесткость при изгибе. С помощью просвечивающего растрового электронного микроскопа авторы получили по 22 изображения образцов многослойного графена с различным числом слоев на поверхности гексагонального нитрида бора толщиной до 19 слоев. Профиль изгиба графена оценивали по радиусу кривизны и углу изгиба.
Исследователи оценили, как конформация (положение атомов в пространстве) многослойного графена изменяется в зависимости от его толщины и высоты ступени из гексагонального нитрида бора. Чем выше ступень — тем больше угол изгиба, а чем больше графеновых слоев, тем больше радиус кривизны. Ученые наблюдали углы от восьми с половиной градусов до 63 градусов и радиус кривизны, сопоставимый с внутренним радиусом нанотрубки — один нанометр.
Авторы придерживались модели, согласно которой конформация зависит от энергий конкурирующих процессов: адгезии между поверхностями графена и нитрида бора и изгибания графена.
Исследователи обнаружили, что при изгибе на углы более 40 градусов жесткость каждого слоя становилась одинаковой (полтора электронвольта), а вся структура вела себя как стопка скользящих без трения слоев. Эти результаты показывают, что при больших углах изгибания графеновые слои начинают сдвигаться друг относительно друга без трения. Жесткость при изгибе графена из десяти слоев оказалась всего 18 электронвольт — на три порядка ниже, чем предсказывали привычные методы механики тонких пленок.
Результаты исследования пригодятся в разработке двумерных материалов и устройств на их основе, новых сильноизогнутых наносистем и оригами-структур. Авторы также отмечают, что хоть в обсуждаемой работе исследовали поведение графена, аналогичным образом могут изгибаться и другие подобные материалы с Ван-дер-Ваальсовыми связями.
Ранее ученые разработали способ контролируемого складывания однослойного графена. С помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа авторы зацепляли край островка и загибали его, образуя двухслойную структуру с закругленным сгибом, который по структуре и электронным свойствам напоминал нанотрубку.
Алина Кротова
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica. Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев. Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца. В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне. Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже. Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект. Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.