Een groep wetenschappers, waaronder specialisten van Landau Instituut voor Theoretische Fysica (ITF), heeft een universeel kenmerk beschreven waarin veel unieke grafeeneigenschappen 'verborgen' zijn. Abnormaal grafeengedrag kan volledig worden gekarakteriseerd door de Poisson-ratio, die het vermogen van een materiaal om te krimpen of uit te rekken in een transversale dimensie bepaalt. Bovendien, wetenschappers hebben sleutelfactoren gevonden die deze eigenschap kunnen beïnvloeden. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

Grafeen is een tweedimensionale plaat die bestaat uit één laag koolstofatomen. Een van de meest interessante dingen over grafeen is de relatie tussen zijn unieke elastische en elektrische eigenschappen. Bijvoorbeeld, grafeen vertoont extreem hoge mobiliteit van elektrische ladingen, die drastisch kan veranderen onder elastische spanning. Natuurkundigen probeerden een universeel fysiek kenmerk te vinden dat dit ongewone gedrag volledig weerspiegelt. Dit zou het mogelijk maken om grafeen effectiever te gebruiken, evenals het creëren van nieuwe materialen met de vereiste exotische eigenschappen. Echter, tot voor kort konden onderzoekers een dergelijke parameter niet vinden.

De sleutel tot het begrijpen van deze vraag lag in het ongewone gedrag van grafeen onder uitrekken. De meest voorkomende materialen krimpen in dwarsrichting tijdens het strekken:een rubberen band is een typisch voorbeeld. Echter, ongeveer honderd jaar geleden, de Duitse natuurkundige Voldemar Voight ontdekte dat pyrietkristallen, Integendeel, strekken zich uit onder strekken. Dergelijke materialen werden auxetica genoemd, en aan het eind van de jaren zeventig verkregen wetenschappers het eerste kunstmatige auxeticum. Het geheim van dergelijke materialen komt van hun ongewone geometrie. Hoewel in een ontspannen toestand auxetische structurele elementen zijn gevouwen, wanneer rekken wordt toegepast, ontvouwen ze zich en groeien ze in omvang.

Auxetics hebben een aantal ongebruikelijke eigenschappen die zullen helpen bestaande technologieën te verbeteren en nieuwe te creëren. "Conventionele materialen zetten uit bij verwarming en dit tast hun oorspronkelijke eigenschappen aan door verschillende mechanische spanningen en storingen. Auxetica kunnen, Integendeel, krimpen. Er is dus een idee om gecombineerde materialen te maken zonder uitzettingscoëfficiënt met behulp van auxetica. Naarmate de temperatuur stijgt, de conventionele samenstelling van dergelijke materialen zal de neiging hebben om uit te zetten, maar auxetische verbinding zal dit compenseren, " zegt Valentin Kachorovskii, een vooraanstaand onderzoeker bij The Ioffe Institute en ITF.

De eigenschap die het vermogen van een materiaal bepaalt om onder spanning in dwarsafmetingen te krimpen of uit te rekken, wordt de Poisson-verhouding genoemd. In auxetica is het negatief, in gewone materialen - positief. "Wetenschappers waren lang geïnteresseerd in de grafeen Poisson-ratio, " zegt Kachorovskii. "Lange tijd dachten we dat het gelijk was aan de universele negatieve waarde -?. Echter, een aantal recente numerieke berekeningen toonden aan dat de grafeen Poisson-ratio zowel positief als negatief kan zijn. Op het eerste gezicht, resultaten van verschillende berekeningen spreken elkaar volledig tegen."

Directe experimentele verificatie van deze parameter is moeilijk. Grafeen is moeilijk afzonderlijk te verkrijgen:het wordt meestal op verschillende substraten "gekweekt", en hun kenmerken maskeren de werkelijke waarde van de grafeen Poisson-verhouding. Wat is meer, monsters van geïsoleerd grafeen zijn zo klein dat het praktisch onmogelijk is om haakjes te bevestigen voor gecontroleerd uitrekken. Tegelijkertijd, onderzoekers en ingenieurs die nieuwe op koolstof gebaseerde technologieën ontwikkelen, moeten precies weten of grafeen auxetisch is of niet.

Auteurs van het nieuwe werk slaagden erin tegenstrijdige resultaten van eerdere berekeningen te "verzoenen" en parameters te vinden die precies de Poisson-verhouding van grafeen bepalen. Natuurkundigen ontdekten dat het een variabele waarde is, afhankelijk van de uitgeoefende trekkracht. "Met een zeer grote kracht, grafeen gedraagt ​​zich als een normaal materiaal, positieve Poisson-ratio aantonen. Echter, wanneer de uitgeoefende kracht afneemt, we bevinden ons in een gebied waar grafeen typisch auxetische eigenschappen vertoont, " merkt Kachorovskii op.

Wetenschappers verklaarden dit ongebruikelijke verband tussen de Poisson-ratio en rekken. Op populaire afbeeldingen wordt grafeen weergegeven als een tweedimensionale laag koolstofatomen, meestal vlak. Echter, in werkelijkheid lopen langs dit 'blad' zogenaamde buiggolven. Ze hebben de neiging om grafeen van een platte staat in een verfrommelde staat te veranderen. "Dit wordt een verkreukelde overgang genoemd, " legt Kachorovskii uit. "Lange tijd voorspelde de theorie van membranen dat als gevolg van dit fenomeen tweedimensionale kristallen zoals grafeen in principe niet zouden kunnen bestaan. Ze zouden er altijd naar streven om in een bal te krimpen. Zoals we zien, deze veronderstelling was een vergissing, aangezien langs het oppervlak van grafeen gewone compressie-extensiegolven samengaan met buigende golven. Niet-lineaire interactie tussen twee golftypes laat het membraan niet krimpen tot een bal. Ondanks dat, de afmeting van dergelijke kristallen is eigenlijk niet gelijk aan twee. Door een verkreukelde overgang, het bevindt zich in een tussentoestand tussen twee en drie dimensies."

Membraan dat ernaar streeft om te krullen als gevolg van gewone compressie-extensiegolven, concurreert met het effect van het gladmaken van transversale golven als gevolg van een externe uitgeoefende kracht. Dit resulteert in een veranderend teken van de Poisson-ratio. Met andere woorden, als de externe kracht hoog is, de abnormale auxetische eigenschappen worden onderdrukt en de Poisson-ratio is positief. Zoals de wetenschappers aantoonden, de ongebruikelijke eigenschappen van grafeen zijn gebaseerd op die licht verkreukelde rusttoestand. "In plooien van transversale buiggolven wordt extra energie opgeslagen, wat verantwoordelijk is voor de abnormale elasticiteit van grafeen en andere ongebruikelijke eigenschappen. Bijvoorbeeld, wanneer verwarmd grafeen in de lengterichting begint te krimpen, omdat de hele extensie naar transversale vouwen gaat, "zegt Kachorovskii. "En het universele kenmerk dat precies het gedrag van grafeen bepaalt, is de Poisson-ratio. Met zijn hulp, je kunt een groot aantal eigenschappen van grafeen en andere materialen beschrijven en voorspellen."

Wat is meer, het huidige werk bevat een verklaring waarom eerdere onderzoeken naar de Poisson-verhouding van grafeen tegenstrijdige resultaten hadden. "We hebben een analytisch compleet systeem van vergelijkingen afgeleid voor de elastische balans van grafeenvel. Het blijkt dat er twee gedragsmodi zijn voor grafeenmembraan. In de gebruikelijke, alle eigenschappen van grafeen worden bepaald door standaardformules en de Poisson-ratio is positief. Tegelijkertijd, voor monsters groter dan de zogenaamde Ginzburg-lengte, een abnormaal elasticiteitsregime wordt gerealiseerd, wat leidt tot een negatieve Poisson-ratio, " voegt Kachorovskii toe. Voor grafeen, De lengte van Ginzburg varieert van 40 tot 70 angstrom. De omvang van de in de praktijk gebruikte steekproeven is zeker groter, daarom is het mogelijk om het meest ongewone auxetische gedrag te zien.

De verklaring van dit fenomeen houdt ook verband met golven van verschillende typen, die op een zeer gecompliceerde manier met elkaar omgaan. "Ginzburg-lengte kenmerkt de schaal waarop deze interacties niet langer kunnen worden verwaarloosd omdat ze het materiaal abnormaal beginnen te verschuiven. Bijvoorbeeld, zo'n grootschalige interactie laat tweedimensionale kristallen niet krimpen tot een bal, " legt Kachorovskii uit. Verschillende stoffen hebben verschillende Ginzburg-lengtes en het kennen ervan is uiterst belangrijk voor de ontwikkeling van nieuwe materialen. "Vaak creëren mensen nieuwe materialen zonder de Ginzburg-lengte te berekenen en dan proberen ze iets ongewoons in hun eigenschappen te vinden. Maar ons werk laat zien dat als de lengte van Ginzburg zo groot is als 1 kilometer, bijvoorbeeld, monsters van normale grootte zullen geen speciale eigenschappen vertonen, ' merkt Kachorovskii op.

Het feit dat grafeen normaal of abnormaal kan uitrekken, afhankelijk van de uitgeoefende kracht in perspectief, zal helpen bij het creëren van overgevoelige geluidssensoren, bijvoorbeeld. "Geluidsgolven rekken grafeenmembraan uit, en afhankelijk van de mate van rek verandert grafeen merkbaar de elektrische weerstand. Uit berekeningen blijkt dat de gevoeligheid van zo'n detector gigantisch kan zijn. In aanvulling, in auxetica is de geluidssnelheid merkbaar hoger dan in "normale" materialen. De waarde van andere elastische constanten, bijvoorbeeld, de Young's modulus blijft hetzelfde. Daarom, wanneer grafeen wordt uitgerekt tot de staat van auxetisch, het geluid erin verspreidt zich heel snel. Dit stelt ons in staat om ultrasnelle sensoren te maken die een zeer snelle verandering van oscillaties kunnen detecteren, ', zegt Kachorovskii.