211service.com
Stærkeste materiale, der nogensinde er testet
Materialeforskere har lovprist grafen, siden det først blev isoleret i 2005. De ét atom-tykke plader af kulstof leder elektroner bedre end silicium og er blevet lavet om til hurtige laveffekttransistorer. Nu har forskere for første gang målt grafens iboende styrke, og de har bekræftet, at det er det stærkeste materiale, der nogensinde er testet. Fundet giver gode beviser for, at grafentransistorer kan tage varmen i fremtidige ultrahurtige mikroprocessorer.
Stærkeste materiale: Ved at trykke en skarp diamantsonde ned i grafen, indtil den gik i stykker, konstaterede forskere, at materialet er det stærkeste, der nogensinde er testet. Dette billede, en illustration, viser atomstrukturen af grafen, som er et atom tykt og består af kulstof og brint arrangeret i et hønsetrådslignende net.
Jeffrey Kysar og James Hone , mekaniske ingeniørprofessorer ved Columbia University, testede grafens styrke på atomniveau ved at måle den kraft, det tog at bryde det. De huggede huller på én mikrometer ind i en siliciumwafer, placerede en perfekt prøve af grafen over hvert hul og fordybede derefter grafenen med en skarp sonde lavet af diamant. Sådanne målinger var aldrig blevet taget før, fordi de skal udføres på perfekte prøver af grafen, uden tårer eller manglende atomer, siger Kysar og Hone.
Hone sammenligner sin test med at strække et stykke plastikfilm over toppen af en kaffekop og måle den kraft, det tager at punktere det med en blyant. Hvis han kunne få et stort nok stykke af materialet til at ligge over toppen af en kaffekop, siger han, ville grafen være stærk nok til at bære vægten af en bil, der er balanceret oven på blyanten.
Det er usandsynligt, at grafens utrolige styrke vil blive brugt i sådan en opgave. På det makroskopiske niveau af kaffekopper og biler vil ethvert materiale være fyldt med revner og fejl, siger Kysar. Det er på niveau med sådanne revner og fejl, at flyvinger og brostøtter svigter. Kun en lille prøve kan være perfekt og superstærk, siger Hone.
Målingerne er dog endnu en demonstration af grafens bemærkelsesværdige egenskaber. Vi vidste, at grafen var det stærkeste materiale; dette arbejde bekræfter det, siger Konstantin Novoselov , en stipendiat ved University of Manchester, som var den første til at isolere todimensionelle ark af materialet.
Materialets styrke er særligt gode nyheder for dem i halvlederindustrien, der håber at gøre computere hurtigere ved at udvikle mikroprocessorer, der bruger grafentransistorer. Hovedansvaret for mikroforarbejdningsindustrien er belastning, siger Julia Greer , en materialeforsker ved Caltech. Ikke kun skal de materialer, der bruges til at fremstille transistorer, have gode elektriske egenskaber, men de skal også være i stand til at overleve belastningerne fra fremstillingsprocesser og den varme, der genereres ved gentagne operationer. De processer, der bruges til at mønstre elektriske metalforbindelser på mikroprocessorer, udøver for eksempel belastninger, der kan få chips til at svigte. Og, siger Greer, den største hindring for at lave hurtigere mikroprocessorer er, at varmen er for meget til, at materialer kan tåle. Baseret på målinger af dens styrke kunne grafentransistorer tage varmen.
Grafen er den grundlæggende byggesten i flere andre tredimensionelle nanostrukturer, der består af kulstof, herunder nanorør og buckyballs, hule fodbold-boldformede molekyler. I teorien er et nanorør sammenrullet grafen, så det burde have samme styrke, siger Hone. I virkeligheden har de fleste nanorør dog små fejl - et atom mangler her eller der. Når du trækker i et nanorør, siger Hone, går det i stykker på ethvert sted, hvor der er en defekt.
Den mekaniske styrke af grafen på nanoskalaen kan vise sig nyttig til andre applikationer end i transistorer til mikroprocessorer. Materialet kunne for eksempel tjene som en holdbar, mekanisk betjent elektrisk kontakt til kommunikationsenheder, herunder mobiltelefoner og avanceret radar, siger Kysar.
Selvom det meste af forskningen i nanomaterialer har fokuseret på deres elektriske, optiske og kemiske egenskaber, kontrollerer mekaniske egenskaber mere, end det kan se ud, siger Greer. Eksisterende databaser over materialers styrke tager ikke højde for forskelle i styrke på nanoskala. Men nu vil forskere, der tester styrken af nanomaterialer, i det mindste have en rekord at skyde efter.