Смешанный с фосфореном графен стал во много раз прочнее
Не так давно мир узнал о новом материале, имеющем колоссальную прочность при тончайшем слое. Речь идет о графене — материале с толщиной слоя в 1 углеродный атом. Графен имеет уникальные свойства, которые сделали его незаменим в разных областях науки и техники. Однако даже такое «совершенство» обладает некоторыми недочетами. Например, невозможно эффективно распределять напряжение в структуре, состоящей из нескольких листов графена. Это происходит, потому что многие методы создания таких пленок не учитывают возможность заранее задать тип их взаимодействия. Из-за этого плёнки становятся менее прочными. Однако графен хорош тем, что с помощью определенных манипуляций, предотвратив возникновение и распространение трещин материала, можно повысить его прочность. Именно этим длительное время были заняты китайские ученые, которым всё-таки удалось создать рекордно прочные графеновые плёнки.
Ученые внедрили между слоями графена «принципы», присущие водородным, ионным, ковалентным и П-П связям — все вместе они могли бы значительно улучшить прочность графена и придать ему свойства пластической деформации. Для этого был дополнительно использован слоистый чёрный фосфор — фосфорен. Это искусственно изготовленный материал, который также, как и графен, имеет толщину слоя в один атом вещества — аллотропия фосфора. Его называют конкурентом графена среди двумерных материалов, так как оно имеет одно особенное свойство, а именно ненулевую фундаментальную запрещенную зону. Таким образом, модифицируя структуру материала, фосфор можно изменяться и дополняться графеном при участии связующего полимера.
Синтезированный материал на основе этих двух веществ приобрёл новые показатели предельной деформации. Это поистине рекордные значения: энергия поглощения составила около 52 МДж/м3, предел прочности — до 653 МПа. Проверяя свойства материала на испытательных машинах, он также поразил своей гибкостью — отсутствовало ухудшение ёмкости даже в результате 10 тыс. циклов сгибания на 180 градусов. Такое явление было обосновано эффектами трех процессов: во-первых, фосфорен выступил в роли смазки, предохраняющей химические связи от разрушения; во-вторых, фосфорен помог графену стать более компактным за счёт уменьшения пустот между слоями; в-третьих, произошло упорядочение структур органических молекул в результате стэкинга с графеновыми листами. В дополнение к этим эффектам новый материал приобрёл улучшенную удельную электропроводность, превосходящую этот показатель у чистого графена более чем в 2 раза. Здесь же можно упомянуть и улучшение теплопроводности.
