Neue zweidimensionale Kohlenstoffmaterialien revolutionieren die Materialwissenschaft

HOUSTON / LONDON (IT BOLTWISE) – Wissenschaftler der Rice University haben ein bemerkenswertes neues Material entwickelt, das die Materialwissenschaften erheblich voranbringen könnte. Monolayer Amorphous Carbon (MAC) zeigt eine beeindruckende Widerstandsfähigkeit, die es achtmal stärker als Graphen macht.

Wissenschaftler der Rice University haben ein bemerkenswertes neues Material entwickelt, das die Materialwissenschaften erheblich voranbringen könnte. Monolayer Amorphous Carbon (MAC) zeigt eine beeindruckende Widerstandsfähigkeit, die es achtmal stärker als Graphen macht. Diese zweidimensionale, ein Atom dicke Struktur kombiniert kristalline und ungeordnete Regionen, was zu einer einzigartigen Verbundstruktur führt.

Die ungewöhnliche Kombination von Strukturen in MAC führt zu einer erhöhten Zähigkeit. Diese einzigartige Gestaltung verhindert, dass Risse sich leicht ausbreiten, wodurch das Material mehr Energie absorbieren kann, bevor es bricht. Forscher der Rice University haben in situ Zugversuche in einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt, um direkt zu beobachten, wie MAC Stress standhält. Risse im Material verlangsamten sich, verzweigten sich und stoppten sogar, bevor sie die Struktur zerstörten.

Simulationen der Gruppe von Markus Buehler am MIT bestätigten diese Beobachtungen auf atomarer Ebene. Sie zeigten, wie die Schnittstelle zwischen geordneten und ungeordneten Regionen die Energie erhöhte, die zum Bruch des Materials erforderlich ist. Diese Erkenntnisse könnten auch auf andere zweidimensionale Materialien angewendet werden, um deren Nützlichkeit in realen Bedingungen zu verbessern, in denen Sprödigkeit ein Hindernis darstellt.

Graphen ist bekannt für seine enorme Stärke und seine Fähigkeit, Dehnung und Kompression besser zu widerstehen als die meisten Materialien auf der Erde. Allerdings ist es auch spröde. Wenn ein Riss beginnt, neigt er dazu, schnell durchzuschießen und einen plötzlichen Ausfall zu verursachen. MAC hingegen widersteht nicht nur der Verformung, sondern zwingt Risse dazu, sich zu verzweigen oder zu stoppen, was die Bruchenergie erhöht und die Zähigkeit des Materials verbessert.

MAC wird durch laserunterstützte chemische Gasphasenabscheidung synthetisiert, die gleiche Methode, die auch bei Graphen und hexagonalem Bornitrid (h-BN) angewendet wird. Dies bedeutet, dass der Prozess mit vorhandener Ausrüstung und Know-how skaliert werden kann, was die Einführung in der realen Welt beschleunigt. Professor Jun Lou von der Rice University glaubt, dass andere zweidimensionale Materialien von einem ähnlichen Ansatz profitieren könnten, um eine neue Familie dünner, langlebiger Materialien mit anpassbarem Bruchwiderstand zu entwickeln.

Die bisherigen Tests konzentrierten sich darauf, wie MAC mit Zugkräften umgeht. Wissenschaftler wollen verstehen, wie es sich unter Biegung, Scherung und langfristigem Stress verhält. Erste Studien deuten darauf hin, dass MAC als Isolator mit einem einstellbaren Bandabstand fungiert, was mögliche Anwendungen in der Elektronik und Oberflächenbeschichtungen eröffnet. Diese Kombination aus Zähigkeit und elektrischen Eigenschaften könnte zu neuen Designs in der tragbaren Technologie, Luftfahrtelektronik und intelligenten Beschichtungen führen.

Dies ist eine der ersten klaren Demonstrationen, dass das Mischen interner Strukturen in zweidimensionalen Materialien sie zäher machen kann, ohne zusätzliche Schichten hinzuzufügen. In der Vergangenheit versuchten Materialwissenschaftler, zweidimensionale Materialien durch Stapelverstärkungen oder Beschichtungen zu stärken, was jedoch Dicke und Komplexität hinzufügte. MACs Kombination aus Bruchwiderstand und struktureller Anpassungsfähigkeit stellt es in eine andere Kategorie.

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