Двумерные углеродные соты, обнаруженные десять лет назад, считаются намного прочнее стали. Но Райсовой лаборатории материаловеда Эдвина «Неда Томаса» не потребовалось даже около фунта графена, чтобы доказать, что этот материал в среднем в 10 раз лучше, чем сталь, по рассеиванию кинетической энергии.
Исследователи сообщают в последнем выпуске журнала Science, что стрельба микроскопическими снарядами по многослойным листам графена позволила ученым определить, насколько сложно проникнуть на наноуровне и насколько прочным может быть графен в макроскопических приложениях.
Томас предположил, что метод, разработанный им и его исследовательской группой, может помочь измерить прочность широкого спектра материалов.
По словам Томаса, в то время как другие лаборатории тщательно изучали электронные свойства и прочность графена на растяжение, никто не проводил исчерпывающих измерений его способности поглощать удары. Его лаборатория обнаружила, что способность графена одновременно быть жестким, прочным и эластичным дает ему необычайный потенциал для использования в качестве бронежилета или для защиты космических кораблей.
Лаборатория впервые применила лазерный тест на удар снаряда (LIPIT), в котором энергия лазера используется для отгонки микропулей от противоположной стороны поглощающей поверхности золота с большой скоростью. В 2012 году они впервые использовали более раннюю версию LIPIT для определения свойств мультиблочных сополимеров, которые могли не только останавливать микропулетки, но и полностью покрывать их.
После этого исследования Томас и ведущий автор Дже-Хван Ли, бывший научный сотрудник Райс, а ныне доцент Массачусетского университета в Амхерсте, усовершенствовали свою технику стрельбы одиночными микроскопическими сферами с большой точностью на скоростях, приближающихся к 3 километрам в секунду. во-вторых, намного быстрее, чем летящая пуля из АК-47.
Исследователи создали специальный столик для выстраивания многослойных листов графена, механически вытянутых из объемного графита. Они тестировали листы толщиной от 10 до 100 нанометров (до 300 слоев графена).
Затем они использовали высокоскоростную камеру, чтобы сделать снимки снарядов до и после попаданий, чтобы оценить их скорость, и просмотрели микроскопические изображения повреждений листов.
В каждом случае 3.7-микронные сферы проткнули графен.
Но вместо аккуратного отверстия сферы оставили трещину из «лепестков» вокруг точки удара, что указывало на то, что графен растянулся перед тем, как сломаться.
«Мы начали писать статью о лепестках, но по мере продвижения стало очевидно, что на самом деле это не та история», – сказал Томас, больной Уильям и Стефани, декан отделения Rice’s George R. Браун школа инженерии. "Кинетическая энергия пули взаимодействует с графеном, толкает вперед, растягивает пленку и замедляется."
Эксперименты показали, что графен представляет собой эластичную мембрану, которая примерно за 3 наносекунды до прокола распределяет напряжение пули по широкой области, определяемой мелким конусом с центром в точке удара. Напряжение растяжения не может распространяться быстрее скорости звука в материалах, а в графене оно намного быстрее скорости звука в воздухе (1125 футов в секунду).
«Для графена мы рассчитали скорость как 22.2 километра в секунду, что выше, чем у любого другого известного материала ", – сказал Томас.
Когда микропуля сталкивается с графеном, диаметр конуса, который она создает, определяемый более поздним исследованием лепестков, позволяет измерить, сколько энергии графен поглощает перед разрушением.
«Игра в защиту получает нагрузку на большую территорию», – сказал Томас. "Это гонка. Если конус может двигаться со значительной скоростью по сравнению со скоростью снаряда, напряжение не локализуется под снарядом."
Контролируемое наслоение листов графена может привести к получению легких энергопоглощающих материалов. «В идеале у вас должно быть много независимых слоев, которые не слишком далеко друг от друга и не так близко, чтобы соприкасаться, потому что нагрузка идет от растягивающей к сжимающей», – сказал Томас. Это, по его словам, уничтожит цель распространения напряжения от точки удара.
Он ожидает, что LIPIT будет использоваться для тестирования многих экспериментальных материалов. «Прежде чем масштабировать проект, вы должны знать, что будет работать», – сказал он. «LIPIT позволяет нам разрабатывать экспресс-методологии тестирования наноразмерных материалов и находить перспективных кандидатов. Мы работаем, чтобы продемонстрировать НАСА и военным, что эти микроскопические тесты имеют отношение к макроскопическим свойствам."
Соавторы статьи – аспирант Райс Филлип Лойя и Джун Лу, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии. Агентство по уменьшению оборонной угрозы и Фонд Уэлча поддержали исследование.