О том, что самое твердое природное вещество – это алмаз, знают практически все. А вот о том, что рекордсменом по жесткости является другая возможная форма углерода – графен, – не знает почти никто. Между тем графен можно легко получить из обыкновенного графитового карандаша.

Кристаллические решетки алмаза (слева) и графита


Толщина графеновой пленки – всего 1 атом: даже на этой фотографии, сделанной атомным силовым микроскопом, разглядеть ее непросто (видна граница атомарного монослоя и подложки)


А так выглядит структура графена: самая тонкая «ткань» – и самая прочная

Графен является одним из возможных кристаллических состояний углерода, при котором атомы организуются в гигантские плоские молекулы толщиною в один атом. В итоге получается прочная и упругая «наноткань», обладающая к тому же прекрасной электропроводностью. Первооткрыватели графена предполагали, что его свойства могут быть с успехом использованы для создания скоростных компьютеров, а также тканей, отличающихся колоссальной прочностью на разрыв. Скотт Бунч (Scott Bunch) и Пол Макюэн (Paul McEuen) нашли ему еще более интересное применение. Изучая свойства графена, ученые превратили его в миниатюрный электромеханический резонатор, который возможно использовать в качестве высокоточных весов, способных измерять массу микроскопических объектов – вплоть до отдельных молекул и атомов. Принцип действия таких весов – такой же, что и у весов обычных: достаточно поместить объект на такую графеновую пленку и измерить ее прогиб.

Абсолютное большинство твердых материалов не поддается препарированию на отдельные плоские срезы толщиною в один атом. В какой-то момент, при достижении пороговой толщины, пленка начинает либо распадаться, либо сворачиваться в сферу. Однако углерод является веществом абсолютно уникальным. В форме алмаза его атомы организуются в тетраэдры, образующие кристаллическую решетку наиболее твердого из всех известных природных материалов. А вот в форме графита углерод представляет собой множество прочных двухмерных слоев, состоящих из шестигранных ячеек – при этом связь между отдельными слоями оказывается очень слабой. Таким образом, для того, чтобы получить слой углерода в несколько атомов толщиной, достаточно легонько провести карандашом по бумаге. И хотя получение графена – процесс несколько более сложный, он, тем не менее, не может не удивлять своей простотой.

В кварцевой подложке протравливаются миниатюрные канавки шириной 1мкм и глубиной 300 нм. Затем на нее наносится тонкий слой углерода, попросту «закрашивая» подложку кусочком графита, приклеенного на кончик зубочистки. С помощью оптического микроскопа устанавливается местоположение канавок – они заполнены очень тонкими слоями графита, шириной порядка десятков тысяч атомов. При этом толщина некоторых слоев не превышает 1 атом – другими словами, в канавках появляются фрагменты графена. Наличие подобных слоев подтверждается спектроскопическими наблюдениями, а также данными атомной силовой микроскопии (АСМ).

К графеновым мостикам, соединяющим края некоторых канавок, ученые подвели небольшое напряжение, под действием которого они начали колебаться. Частота и амплитуда колебаний регистрировалась с помощью лазера, что в итоге позволило точно оценить жесткость данного материала. «Скорость вибраций подобных срезов определяется их толщиной, размерами и степенью жесткости, присущей данному конкретному веществу. Судя по всему, графен является наиболее жестким из всех известных нам материалов. Кроме того, он очень тонок и легок, что делает его чрезвычайно чувствительным инструментом для измерения массы и давления. По сути графен является самой тонкой вибрирующей структурой, которую мы можем получить. И можно лишь удивляться тому, насколько это просто», — говорит Скотт Бунч.

По информации Physorg.Com