Gruppa uchenykh, v tom chisle spetsialisty instituta teoreticheskoi fiziki imeni Landau (ITF), opisali universal’nuyu kharakteristiku, v kotoroi «spryatano» mnozhestvo unikal’nykh svoistv grafena. Znanie mekhanizmov ego neobychnogo povedeniya pozvolit uchenym pritsel’no sozdavat’ materialy s nuzhnym naborom netipichnykh svoistv.
Grafen – dvumernyi «list» iz odnogo sloya atomov ugleroda – material, poluchennyi Andreem Geimom i Konstantinom Novoselovym v 2004 godu. U nego okazalos’ mnozhestvo neobychnykh svoistv, blagodarya kotorym segodnya grafen rassmatrivayut kak odin iz samykh perspektivnykh materialov dlya sozdaniya novoi nekremnievoi elastichnoi elektroniki. Glavnyi interes predstavlyaet vzaimosvyaz’ unikal’nykh uprugikh svoistv grafena s elektricheskimi kharakteristikami materiala, v chastnosti, s chrezvychaino vysokoi podvizhnost’yu elektricheskikh zaryadov, kotoraya mozhet rezko menyat’sya pri prilozhenii uprugikh napryazhenii.
Fiziki davno pytayutsya naiti universal’nuyu fizicheskuyu kharakteristiku, kotoraya naibolee polno otrazhala by neobychnye uprugie svoistva grafena: eto pozvolit ne tol’ko luchshe ispol’zovat’ sam grafen, no i sozdavat’ drugie materialy s nuzhnym naborom neobychnykh svoistv. Odnako do nedavnego vremeni naiti takoi edinyi parametr ne udavalos’. Avtory novoi raboty opredelili, kakaya kharakteristika naibolee polno otrazhaet anomal’noe povedenie grafena i vyyasnili klyuchevye faktory, kotorye mogut na nee vliyat’. Rabota uchenykh opublikovana v zhurnale Physical Review B, ee preprint dostupen na saite arXiv.org.
Klyuchom k ponimaniyu okazalos’ neobychnoe povedenie grafena pri rastyazhenii. Bol’shinstvo privychnykh nam materialov pri rastyazhenii szhimayutsya v poperechnom napravlenii: tipichnyi primer – rezinovaya lenta. Odnako okolo sta let nazad nemetskii fizik Vol’demar Voit obnaruzhil, chto kristally pirita pri rastyazhenii, naoborot, stanovyatsya tolshche. Takie materialy poluchili nazvanie auksetikov, i v kontse 1970-kh uchenye poluchili pervyi iskusstvennyi auksetik. Sekret takikh materialov – v neobychnoi geometrii. V nerastyanutom sostoyanii strukturnye elementy auksetika kak by slozheny. Pri rastyazhenii oni raspravlyayutsya, uvelichivayas’ v razmere. Primery auksetikov pokazany na risunke.
a) «Slozhennye» elementy auksetika pri rastyazhenii raspravlyayutsya, uvelichivaya ego poperechnyi razmer. b) Izdeliya iz lyubykh materialov, slozhennye po pravilam miura-ori – sistemy skladyvaniya, pozvolyayushchei raskryt’ konstruktsiyu v odno dvizhenie, takzhe obladayut svoistvami auksetika. v) Podoshva krossovok, sostavlennaya iz zakhodyashchikh drug na drug treugol’nikov, pri davlenii vedet sebya kak auksetik.
Istochniki: a – wikimedia.org, b – H. Yasuda et al., 2013, v – nike.com
Auksetiki obladayut ryadom neobychnykh svoistv, kotorye pomogut usovershenstvovat’ imeyushchiesya tekhnologii i sozdavat’ novye. «Obychnye materialy pri nagrevanii rasshiryayutsya – i eto ukhudshaet rabotu priborov, sozdavaya razlichnye mekhanicheskie napryazheniya i pomekhi. Auksetiki mogut, naoborot, szhimat’sya. Sushchestvuet ideya sozdavat’ pri pomoshchi auksetikov materialy s nulevym koeffitsientom rasshireniya. Dlya etogo nuzhno soedinit’ «klassicheskii» material i auksetik. Pri roste temperatury obychnaya chast’ budet stremit’sya rasshirit’sya, no material s otritsatel’nym koeffitsientom rasshireniya ne dast etogo sdelat’», – ob’yasnyaet ideyu odin iz avtorov novoi raboty, Valentin Kachorovskii, vedushchii nauchnyi sotrudnik Fiziko-tekhnicheskogo instituta imeni A. F. Ioffe i Instituta teoreticheskoi fiziki imeni L.D. Landau.
Kharakteristika, opredelyayushchaya materialy po ikh sposobnosti uvelichivat’sya ili umen’shat’sya v poperechnom razmere pri rastyazhenii, nazyvaetsya koeffitsientom Puassona. U auksetikov on otritsatel’nyi, u «obychnykh» materialov – polozhitel’nyi. «Uchenykh davno interesoval koeffitsient Puassona grafena. No do nedavnego vremeni my ne znali ne tol’ko ego velichinu, no dazhe znak, – rasskazyvaet Kachorovskii. – Dovol’no dolgo schitalos’, chto on raven universal’nomu otritsatel’nomu znacheniyu -1/3. Odnako ryad nedavnikh chislennykh raschetov pokazal, chto koeffitsient Puassona grafena mozhet byt’ kak polozhitel’nym tak i otritsatel’nym, prichem rezul’taty razlichnykh raschetov, na pervyi vzglyad, polnost’yu protivorechat drug drugu».
Provesti eksperiment, kotoryi pryamo opredelil by velichinu etogo parametra, ochen’ slozhno. Grafen trudno poluchit’ izolirovanno: ego «vyrashchivayut» na razlichnykh podlozhkakh, i ikh kharakteristiki «maskiruyut» istinnoe znachenie koeffitsienta Puassona samogo grafena. A sushchestvuyushchie obraztsy izolirovannogo grafena nastol’ko maly, chto k nim prakticheski nevozmozhno prikrepit’ kronshteiny, kotorye by pozvolili rastyanut’ obraztsy kontroliruemym sposobom. Pri etom issledovatelyam i inzheneram, razrabatyvayushchim novye tekhnologii, osnovannye na dvumernykh uglerodnykh materialakh, vazhno ponimat’, auksetik grafen ili net.
Avtoram novoi raboty udalos’ «primirit’» protivorechivye rezul’taty predydushchikh raschetov i naiti parametry, kotorye odnoznachno opredelyayut koeffitsient Puassona grafena. Fiziki vyyasnili, chto on ne yavlyaetsya postoyannoi velichinoi, a zavisit ot sily, s kotoroi rastyagivaetsya obrazets. «Pri ochen’ bol’shoi sile grafen vedet sebya kak obychnyi material, demonstriruya polozhitel’nyi koeffitsient Puassona. Odnako s umen’sheniem prilozhennoi sily, my popadaem v oblast’, pri kotoroi grafen proyavlyaet tipichno aukseticheskie svoistva», – rasskazyvaet Kachorovskii.
Uchenye smogli ob’yasnit’ prirodu takoi neobychnoi zavisimosti koeffitsienta Puassona ot rastyazheniya. Na populyarnykh izobrazheniyakh grafen – dvumernyi «list» iz atomov ugleroda – obychno pokazyvayut ploskim. Odnako v deistvitel’nosti eto ne tak i po ploskosti grafena begut tak nazyvaemye izgibnye volny. Oni stremyatsya perevesti grafen iz ploskogo sostoyaniya v skomkannoe. «Po-angliiski eto nazyvaetsya crumpling transition, to est’ perekhod v skomkannoe sostoyanie, – ob’yasnyaet Kachorovskii. – Dolgoe vremya teoriya membran predskazyvala, chto iz-za etogo yavleniya dvumernye kristally napodobie grafena v printsipe ne mogut sushchestvovat’: oni budut vse vremya stremit’sya szhat’sya v komok. Kak my vidim, eto predpolozhenie bylo oshibkoi – tak kak po poverkhnosti grafena, pomimo izgibnykh, begut takzhe obychnye volny szhatiya-rastyazheniya. Nelineinoe vzaimodeistvie dvukh tipov voln ne pozvolyaet membrane szhat’sya v komok. Khotya razmernost’ podobnykh kristallov, deistvitel’no, ne ravna dvum: iz-za yavleniya perekhoda v skomkannoe sostoyanie ona nakhoditsya v promezhutochnom sostoyanii mezhdu dvumya i tremya».
Konkurentsiya mezhdu stremleniem membrany izognut’sya pod vozdeistviem obychnykh voln szhatiya-rastyazheniya i effektom «razglazhivaniya» poperechnykh voln za schet vneshnei prilozhennoi sily privodit k tomu, chto koeffitsient Puassona menyaet znak. Inymi slovami, esli vneshnyaya sila velika, anomal’nye aukseticheskie svoistva podavlyayutsya i koeffitsient Puassona okazyvaetsya polozhitel’nym.
Kak pokazali uchenye, neobychnye svoistva grafena proyavlyayutsya imenno iz-za togo, chto v pokoe on nakhoditsya v podobnom slegka skomkannom sostoyanii. «V «skladkakh» – to est’ poperechnykh izgibnykh volnakh – zapasena dopolnitel’naya energiya, kotoraya i privodit k poyavleniyu u grafena anomal’noi elastichnosti i drugikh neobychnykh svoistv. Naprimer, pri nagrevanii grafen nachinaet szhimat’sya v prodol’nom napravlenii, tak kak vse rasshirenie «ukhodit» v raspravlenie poperechnykh skladok, – govorit Kachorovskii. – I universal’noi kharakteristikoi, kotoraya opredelyaet, kak imenno budet vesti sebya grafen, okazalsya koeffitsient Puassona. S ego pomoshch’yu mozhno opisyvat’ i predskazyvat’ bol’shoe kolichestvo svoistv grafena i drugikh materialov».
V svoei rabote uchenye ob’yasnili, pochemu predydushchie issledovaniya koeffitsienta Puassona grafena davali protivorechivye rezul’taty. «My vyveli analiticheski polnuyu sistemu uravnenii uprugogo balansa lista grafena. Okazyvaetsya, chto sushchestvuet dva rezhima povedeniya grafenovoi membrany: obychnyi, v kotorom vse svoistva grafena opredelyayutsya po standartnym formulam i koeffitsient Puassona okazyvaetsya polozhitel’nym. V to zhe vremya, dlya obraztsov, razmer kotorykh bol’she, chem tak nazyvaemaya dlina Ginzburga, realizuetsya rezhim anomal’noi uprugosti, v kotorom koeffitsient Puassona otritsatelen», – rasskazyvaet Kachorovskii. Dlya grafena dlina Ginzburga sostavlyaet ot 40 do 70 angstrem, to est’ razmer obraztsov, ispol’zuemykh na praktike, zavedomo prevyshaet ee i v nikh proyavlyaetsya to samoe neobychnoe auksetichnoe povedenie.
Ob’yasnenie etogo fenomena takzhe svyazano s begushchimi po grafenu volnami raznogo tipa, kotorye vzaimodeistvuyut mezhdu soboi ochen’ slozhnym obrazom. «Dlina Ginzburga kharakterizuet masshtab, s kotorogo etimi vzaimodeistviyami uzhe nel’zya prenebrech’ i oni nachinayut anomal’no «sdvigat’» svoistva materialov, naprimer, ne dayut dvumernym kristallam szhimat’sya v komok», – ob’yasnyaet Kachorovskii. U raznykh materialov dlina Ginzburga raznaya, i eto znanie kraine vazhno dlya razrabotki novykh materialov. «Chasto lyudi sozdayut novye materialy, ne vychislyaya dlinu Ginzburga, a potom pytayutsya naiti v ikh svoistvakh chto-to neobychnoe. No nasha rabota pokazyvaet, chto, esli dlina Ginzburga ochen’ bol’shaya – skazhem, 1 kilometr – nikakikh osobennykh svoistv u obraztsov razumnogo razmera zavedomo ne budet», – konstatiruet Kachorovskii.
Tot fakt, chto grafen mozhet rastyagivat’sya «normal’no» ili anomal’no v zavisimosti ot prilozhennoi sily, v perspektive pomozhet sozdavat’ giperchuvstvitel’nye sensory, naprimer, zvuka. «Zvukovye volny rastyagivayut grafenovuyu membranu, i v zavisimosti ot stepeni rastyazheniya u grafena zametno menyaetsya elektricheskoe soprotivlenie. Raschety pokazyvayut, chto chuvstvitel’nost’ takogo sensora mozhet okazat’sya gigantskoi. Krome togo, v auksetikakh skorost’ zvuka zametno vyshe, chem v «normal’nykh» materialakh (pri odinakovom znachenii drugikh uprugikh konstant, naprimer, modulya Yunga). To est’, kogda grafen pri rastyazhenii perekhodit v sostoyanie auksetika, zvuk v nem rasprostranyaetsya ochen’ bystro. Eto pozvolyaet sozdavat’ sverkhbystrodeistvuyushchie sensory, kotorye smogut ulavlivat’ ochen’ bystruyu smenu kolebanii», – poyasnyaet Kachorovskii.
Rabota vypolnena v ramkakh sovmestnogo proekta RNF-DFG (Nemetskogo nauchno-issledovatel’skogo soobshchestva) «Perekhody sverkhprovodnik-izolyator i metall-izolyator vo vzaimodeistvuyushchikh neuporyadochennykh sistemakh», rukovoditel’ – odin iz soavtorov raboty, Aleksandr Mirlin.
Polnyi spisok avtorov raboty: Igor’ Burmistrov (Institut teoreticheskoi fiziki imeni L.D. Landau (ITF)), Valentin Kachorovskii (Fiziko-tekhnicheskii institut imeni A.F. Ioffe, ITF), Igor’ Gornyi i Aleksandr Mirlin (Institut Tekhnologii, Karlrue, Germaniya), Yan Los i Mikhail Katsnel’son (Universiteta Neimegina, Niderlandy).
Dogovorit’sya ob interv’yu s uchenymi, kommentariyakh i zaprosit’ dopolnitel’nuyu informatsiyu mozhno po adresu: press@itp.ac.ru