211service.com
Stärkstes Material, das jemals getestet wurde
Materialwissenschaftler loben Graphen seit seiner ersten Isolierung im Jahr 2005. Die ein Atom dicken Kohlenstoffschichten leiten Elektronen besser als Silizium und wurden zu schnellen Transistoren mit geringer Leistung verarbeitet. Jetzt haben Forscher zum ersten Mal die intrinsische Stärke von Graphen gemessen und bestätigt, dass es das stärkste Material ist, das jemals getestet wurde. Das Ergebnis liefert einen guten Beweis dafür, dass Graphentransistoren die Hitze in zukünftigen ultraschnellen Mikroprozessoren aufnehmen könnten.
Stärkstes Material: Durch das Eindrücken einer scharfen Diamantsonde in Graphen, bis sie zerbrach, stellten die Forscher fest, dass das Material das stärkste ist, das je getestet wurde. Dieses Bild, eine Illustration, zeigt die atomare Struktur von Graphen, das ein Atom dick ist und aus Kohlenstoff und Wasserstoff besteht, die in einem hühnchendrahtartigen Netz angeordnet sind.
Jeffrey Kysar und James Hone , Professoren für Maschinenbau an der Columbia University, testeten die Stärke von Graphen auf atomarer Ebene, indem sie die Kraft maß, die erforderlich war, um es zu brechen. Sie schnitzten ein Mikrometer breite Löcher in einen Siliziumwafer, platzierten eine perfekte Graphenprobe über jedem Loch und drückten dann das Graphen mit einer scharfen Diamantsonde ein. Solche Messungen waren noch nie zuvor gemacht worden, weil sie an perfekten Graphenproben ohne Risse oder fehlende Atome durchgeführt werden müssen, sagen Kysar und Hone.
Hone vergleicht seinen Test damit, ein Stück Plastikfolie über eine Kaffeetasse zu spannen und die Kraft zu messen, die zum Durchstechen mit einem Bleistift erforderlich ist. Wenn er ein Stück des Materials bekommen könnte, das groß genug wäre, um es über eine Kaffeetasse zu legen, sagt er, wäre Graphen stark genug, um das Gewicht eines Autos zu tragen, das auf dem Bleistift balanciert ist.
Es ist unwahrscheinlich, dass die unglaubliche Stärke von Graphen für eine solche Aufgabe genutzt wird. Auf der makroskopischen Ebene von Kaffeetassen und Autos wird jedes Material voller Risse und Fehler sein, sagt Kysar. Auf der Ebene solcher Risse und Mängel versagen Flugzeugtragflächen und Brückenstützen. Nur eine winzige Probe kann perfekt und superstark sein, sagt Hone.
Die Messungen sind jedoch ein weiterer Beweis für die bemerkenswerten Eigenschaften von Graphen. Wir wussten, dass Graphen das stärkste Material ist; diese Arbeit bestätigt es, sagt Konstantin Novoselov , ein Stipendiat an der University of Manchester, der als erster zweidimensionale Platten des Materials isolierte.
Die Stärke des Materials ist eine besonders gute Nachricht für diejenigen in der Halbleiterindustrie, die hoffen, Computer schneller zu machen, indem sie Mikroprozessoren entwickeln, die Graphen-Transistoren verwenden. Die Haupthaftung in der mikroverarbeitenden Industrie ist die Belastung, sagt Julia Greer , ein Materialwissenschaftler bei Caltech. Die für die Herstellung von Transistoren verwendeten Materialien müssen nicht nur gute elektrische Eigenschaften aufweisen, sondern auch den Belastungen der Herstellungsprozesse und der Hitze, die bei wiederholten Arbeitsvorgängen entsteht, standhalten. Die Prozesse, die verwendet werden, um zum Beispiel elektrische Metallverbindungen auf Mikroprozessoren zu strukturieren, üben Belastungen aus, die zum Versagen von Chips führen können. Und laut Greer besteht das Haupthindernis bei der Herstellung schnellerer Mikroprozessoren darin, dass die Wärme zu viel für die Materialien ist. Basierend auf Messungen seiner Stärke könnten Graphen-Transistoren die Hitze aufnehmen.
Graphen ist der Grundbaustein mehrerer anderer dreidimensionaler Nanostrukturen aus Kohlenstoff, darunter Nanoröhren und Buckyballs, hohle fußballförmige Moleküle. Theoretisch handelt es sich bei einer Nanoröhre um aufgerolltes Graphen, sie sollte also die gleiche Stärke haben, sagt Hone. In Wirklichkeit haben die meisten Nanoröhren jedoch winzige Fehler – ein Atom fehlt hier oder da. Wenn man an einer Nanoröhre zieht, sagt Hone, bricht sie an jeder Stelle, an der es einen Defekt gibt.
Die mechanische Festigkeit von Graphen im Nanobereich könnte sich für andere Anwendungen als in Transistoren für Mikroprozessoren als nützlich erweisen. Das Material könnte beispielsweise als langlebiger, mechanisch betätigter elektrischer Schalter für Kommunikationsgeräte wie Mobiltelefone und fortschrittliche Radare dienen, sagt Kysar.
Obwohl sich die meisten Forschungen zu Nanomaterialien auf ihre elektrischen, optischen und chemischen Eigenschaften konzentriert haben, kontrollieren die mechanischen Eigenschaften mehr, als es den Anschein hat, sagt Greer. Bestehende Datenbanken zur Materialfestigkeit berücksichtigen keine Festigkeitsunterschiede auf der Nanoskala. Aber zumindest jetzt haben Forscher, die die Festigkeit von Nanomaterialien testen, einen Rekord, auf den sie schießen können.