Учёные создали "резиновый графен"
Металлы и их сплавы — хорошие проводники, но все они очень тяжелы и хрупки: статистический предел прочности для самых прочных из них не превышает 2 ГПа. Там, где нужна повышенная прочность, вместо металлов используют композитные керамические материалы — например, карбид вольфрама, который выдерживает уже 9 ГПа, но и керамика оказывается слишком тяжела для многих применений — в частности, в аэрокосмической отрасли. Материалы на основе углерода позволяют увеличить прочность конструкции, и при этом весят очень мало, однако большинство из них малоэластичны, и выдерживают упругую деформацию не больше 2%. Материалов. которые были бы лёгкими, прочными и эластичными, пока немного, и «резиновый графен» американо-китайской коллаборации — как раз из таких.
Своим набором свойств «резиновый графен» обязан электронной конфигурации атома углерода, которая даёт последнему возможность связываться с другими подобными атомами огромным числом способов. Чтобы разобраться в том, как электронная конфигурация влияет на свойства материала. нужно вспомнить школьный термин «гибридизация».
На последнем электронном уровне у атома углерода четыре электрона: два занимают более низкоэнергетическую s-орбиталь, ещё два разместились по одному на двух p-орбиталях, ещё одна p-орбиталь остаётся незанятой. Когда атом углерода вступает в химическую связь с другим атомом, орбитали преобразуются, объединяясь в разных конфигурациях, которые химики называют гибридизациями. Гибридизация по sp2-типу означает объединение одной s и двух p-орбиталей, sp3-гибридизация — это, соответственно, объединение одной s и трёх p-орбиталей. Второй тип гибридизации задействован в алмазе: все атомы углерода в его кристаллической решётке имеют sp3-гибридизацию электронных орбиталей внешнего электронного уровня. В графене электроны внешнего слоя размещаются на sp2-гибридных орбиталях. Характер гибридизации в некоторой степени определяет и кристаллическую структуру, и физические свойства материала: sp3-гибридные орбитали атомов в решётке алмаза делают материал ультрапрочным проводником, а sp2-гибридизация сообщает графиту его гибкость и способность проводить электричество.
Манипулируя количеством sp2— и sp3-гибридизованных электронов в материале, можно манипулировать его свойствами. Как правило, материалы, в которых присутствую атомы и с той, и с другой гибридизацией электронных орбиталей, получают, сжимая графен и его аналоги (sp2) под высоким давлением и при нагревании. Один из таких экспериментов дал группе физиков из Яньшаньского университета, университетов Чикаго, Пеннсильвании и института Карнеги материал, который растягивается в разные стороны, как резина, но при этом прочен и лёгок, как графен. Данные рентгеновской дифракции, исследования при помощи просвечивающего электронного микроскопа, электронного спектроскопа и рамановского спектроскопа показали, что материал состоит из слоёв графена (sp2), которые связывают между собой отдельные атомы, причём электроны, образующие C-C связь, соединяющую разные слои, находятся на sp3-гибридных («алмазных») орбиталях. Такая структура сообщила самым удачным образцам материала внушительную прочность на разрыв (от 15 до 26 ГПа), устойчивость к сжатию и растяжению и электропроводность. Материал с таким набором характеристик можно использовать в самых разных областях, от строительства космических аппаратов до создания пуленепробиваемых материалов, считают создатели «резинового графена».
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
