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