Karbon super-material baru 8x lebih keras dari graphene

Bahan berbasis karbon baru, monolayer amorphous carbon (Mac), merevolusi ilmu material.

Tidak seperti grapheneyang sangat kuat tetapi rentan terhadap patah tulang yang tiba -tiba, Mac lebih sulit delapan kali karena kombinasi unik dari daerah kristal dan amorf. Terobosan ini menunjukkan cara baru untuk meningkatkan bahan 2D, membuatnya lebih tangguh untuk aplikasi seperti elektronik, penyimpanan energi, dan sensor canggih. Para ilmuwan menggunakan pencitraan waktu nyata dan simulasi untuk mengungkap bagaimana Mac menolak retak, membuka pintu untuk bahan yang lebih kuat dan lebih tahan lama di masa depan.

Retak di bawah tekanan: Tantangan kekuatan dan kerapuhan

Bahkan celah terkuat di bawah tekanan, bahan yang bermasalah telah lama bergulat. Misalnya, bahan yang berasal dari karbon seperti graphene adalah yang terkuat di Bumi, tetapi begitu terbentuk, retak merambat dengan cepat melalui mereka, membuatnya rentan terhadap patah tulang yang tiba-tiba.

Bahan karbon baru yang dikenal sebagai monolayer amorfous carbon (Mac) namun, kuat dan tangguh. In fact, MAC ⎯ which was recently synthesized by the group of Barbaros Özyilmaz at the National University of Singapore (NUS) ⎯ is eight times tougher than graphene, according to a new study from Rice University scientists and collaborators published in the journal Urusan.

Rahasia Kekuatan Mac: Struktur Komposit

Seperti graphene, Mac juga merupakan bahan setebal 2D atau tunggal. Tetapi tidak seperti graphene di mana atom diatur dalam kisi heksagonal ⎯ atau kristal yang dipesan, Mac adalah bahan komposit yang menggabungkan daerah kristal dan amorf. Struktur komposit inilah yang memberikan Mac ketangguhan karakteristiknya, menunjukkan bahwa pendekatan desain komposit bisa menjadi cara yang produktif untuk membuat bahan 2D lebih rapuh.

“Desain unik ini mencegah retakan dari merambat dengan mudah, memungkinkan bahan untuk menyerap lebih banyak energi sebelum pecah,” kata Bongki Shin, seorang mahasiswa pascasarjana material dan mahasiswa pascasarjana nanoengineering yang merupakan penulis pertama studi tersebut.

Memecah batas bahan 2D

Ini adalah berita bagus untuk bahan 2D, yang telah memungkinkan inovasi transformatif di berbagai bidang dari elektronik yang lebih cepat dan lebih efisien hingga penyimpanan energi berkapasitas tinggi, sensor canggih dan teknologi yang dapat dipakai. Untuk dapat menempatkan sifat luar biasa mereka untuk penggunaan lebih lanjut, para ilmuwan material harus bersaing dengan kerapuhan mereka, yang sejauh ini membatasi aplikasi dunia nyata mereka.

Untuk membuat nanomaterial 2D lebih keras, orang dapat menambahkan struktur nano yang menguat ke film tipis ⎯ Sebuah metode yang dijelaskan dalam penelitian ini sebagai “pengurutan ekstrinsik” ⎯ atau memperkenalkan modifikasi dalam bidang material ⎯ “pengurutan intrinsik.” Struktur dalam bidang MAC menawarkan studi kasus yang ideal untuk menguji ketangguhan fraktur nanokomposit yang terdiri dari daerah yang dipesan (kristal) yang tertanam di dalam matriks yang tidak teratur (amorf).

Membuka Kunci Kemungkinan Baru untuk Ilmu Bahan

“Kami percaya bahwa strategi pengerasan berbasis struktur ini dapat bekerja untuk bahan 2D lainnya, sehingga pekerjaan ini membuka kemungkinan yang menarik untuk desain bahan canggih,” kata Jun Lou, Profesor Ilmu Bahan dan Nanoengineering dan Kimia yang merupakan penulis yang sesuai dalam penelitian ini.

Peneliti beras yang menggunakan pengujian tarik in situ di dalam mikroskop elektron pemindaian untuk mengamati retakan yang membentuk dan merambat secara real time. Ini memungkinkan mereka untuk secara langsung mengamati bagaimana struktur nanokomposit MAC menolak perambatan retak. Kelompok yang dipimpin oleh Markus Buehler di Massachusetts Institute of Technology menjalankan simulasi dinamika molekuler, yang memungkinkan mereka memperbesar pada tingkat atom untuk memahami bagaimana campuran daerah kristal dan amorf mempengaruhi energi fraktur.

Era baru untuk desain bahan 2D

“Ini belum pernah dilakukan sebelumnya karena menciptakan dan pencitraan materi yang ultrathin, yang tidak teratur pada skala atom sangat menantang,” kata Yimo Han, asisten profesor ilmu material dan penulis nanoengineering dan sesuai dengan penelitian ini. “Namun, berkat kemajuan terbaru dalam sintesis nanomaterial dan pencitraan resolusi tinggi, kami dapat mengungkap pendekatan baru untuk membuat bahan 2D lebih keras tanpa menambahkan lapisan tambahan.”

Referensi: “Penguat intrinsik dalam nanokomposit karbon amorf monolayer” oleh Bongki Shin, Bo Ni, Chee-Tat Toh, Doug Steinbach, Zhenze Yang, Lucas M. Sassi, Qing Ai, Kangdi Niu, Junhao Lin, Kazu Suenuga, Yimo Hanh, Junhao Lin, Kazu Suenuga, Yimo Hanh, Yimo, Junhao Lin, Kazu Suenaga, Yimo, Yimo, Yimo, Yimo, Kangdi, Kangdi, Junhao, Kangdi, Kangdi, Junhao, Kangdi, Kangdi, Junhao, Kangdi, Kangdi, Kangdi, Junhao, Kangdi, Kangdi, Kangdi, Kangdi, Kangdi, Kangdi, Kangdi Niu, Junhao, Kangdi. 13 Februari 2025, Urusan.
Doi: 10.1016/j.matt.2025.102000

Penelitian ini didukung oleh Departemen Energi Amerika Serikat (DE-SC0018193); The Welch Foundation (C-1716, C-2065); Yayasan Penelitian Nasional Singapura di bawah Program Penelitian Kompetitifnya (NRF-CRP22-2019-008); dan Kementerian Pendidikan Singapura (MOE-T2EP50220-0017, EDUNC-33-18-279-V12). Konten di sini semata -mata adalah tanggung jawab penulis dan tidak selalu mewakili pandangan resmi para penyandang dana.