p Um grupo de cientistas, incluindo especialistas do Instituto Landau de Física Teórica (ITF), descreveu uma característica universal na qual muitas propriedades únicas do grafeno estão "ocultas". O comportamento anormal do grafeno pode ser totalmente caracterizado pelo coeficiente de Poisson, que determina a capacidade de um material para encolher ou estender em uma dimensão transversal. Além disso, os cientistas encontraram fatores-chave que podem influenciar essa característica. Os resultados são publicados em Revisão Física B . p O grafeno é uma folha bidimensional que consiste em uma camada de átomos de carbono. Uma das coisas mais interessantes sobre o grafeno é a relação entre suas propriedades elásticas e elétricas únicas. Por exemplo, o grafeno mostra uma mobilidade extremamente alta de cargas elétricas, que pode mudar drasticamente sob estresse elástico. Os físicos tentaram encontrar uma característica física universal que refletisse totalmente esse comportamento incomum. Isso tornaria possível usar o grafeno de forma mais eficaz, bem como criar novos materiais com as propriedades exóticas necessárias. Contudo, até recentemente, os pesquisadores não conseguiam encontrar esse parâmetro.

p A chave para entender essa questão residia no comportamento incomum do grafeno sob alongamento. Os materiais mais comuns encolhem na direção transversal durante o alongamento:um elástico é um exemplo típico. Contudo, cerca de cem anos atrás, o físico alemão Voldemar Voight descobriu que os cristais de pirita, pelo contrário, estender sob o alongamento. Esses materiais eram chamados de auxéticos, e no final dos anos 1970 os cientistas obtiveram a primeira auxética artificial. O segredo de tais materiais vem de sua geometria incomum. Embora em um estado relaxado, os elementos estruturais auxéticos são dobrados, quando o alongamento é aplicado, eles se desdobram e aumentam de tamanho.

p Auxetics têm uma série de recursos incomuns que ajudarão a melhorar as tecnologias existentes e criar novas. "Os materiais convencionais se expandem quando aquecidos e isso prejudica suas propriedades originais por meio de vários distúrbios e tensões mecânicas. Os auxiliares podem, pelo contrário, Psiquiatra. Portanto, existe uma ideia de criar materiais combinados com taxa de expansão zero usando auxética. Conforme a temperatura sobe, o composto convencional de tais materiais tenderá a se expandir, mas o composto auxético vai compensar isso, "comenta Valentin Kachorovskii, um pesquisador líder no The Ioffe Institute e ITF.

p O recurso que determina a capacidade do material de encolher ou estender na dimensão transversal sob tensão é chamado de coeficiente de Poisson. Em auxética é negativo, em materiais comuns - positivo. "Os cientistas estavam há muito interessados ​​no coeficiente de Poisson do grafeno, "diz Kachorovskii." Por muito tempo pensamos que era igual ao valor negativo universal - ?. Contudo, uma série de cálculos numéricos recentes mostraram que o coeficiente de Poisson do grafeno pode ser positivo e negativo. À primeira vista, resultados de vários cálculos se contradizem completamente. "

p A verificação experimental direta desse parâmetro é difícil. O grafeno é difícil de obter isoladamente:geralmente é "cultivado" em vários substratos, e suas características mascaram o verdadeiro valor do coeficiente de Poisson do grafeno. O que é mais, as amostras de grafeno isolado são tão pequenas que é praticamente impossível anexar braquetes para alongamento controlado. Ao mesmo tempo, pesquisadores e engenheiros que desenvolvem novas tecnologias baseadas em carbono precisam saber exatamente se o grafeno é auxético ou não.

p Os autores do novo trabalho conseguiram "reconciliar" resultados contraditórios de cálculos anteriores e encontrar parâmetros que determinam exatamente o coeficiente de Poisson do grafeno. Os físicos descobriram que é um valor variável dependendo da força de tração aplicada. "Com uma força muito grande, o grafeno se comporta como um material normal, demonstrando coeficiente de Poisson positivo. Contudo, quando a força aplicada diminui, nos encontramos em uma área onde o grafeno exibe propriedades tipicamente auxéticas, "observa Kachorovskii.

p Os cientistas explicaram esta ligação incomum entre coeficiente de Poisson e alongamento. Em imagens populares, o grafeno é mostrado como uma folha bidimensional de átomos de carbono, geralmente plano. Contudo, na realidade, as chamadas ondas de dobra percorrem essa "folha". Eles tendem a transformar o grafeno de um estado plano para um estado amassado. "Isso é chamado de transição amarrotada, "Kachorovskii explica." Por muito tempo a teoria das membranas previa que, devido a esse fenômeno, cristais bidimensionais como o grafeno não poderiam existir em princípio. Eles sempre se esforçariam para encolher em uma bola. Como vemos, essa suposição foi um erro, pois ao longo da superfície do grafeno as ondas comuns de compressão-extensão correm junto com as curvas. A interação não linear entre dois tipos de onda não permite que a membrana encolha em uma bola. Apesar de, a dimensão de tais cristais não é realmente igual a dois. Devido à transição de enrugamento, está em um estado intermediário entre duas e três dimensões. "

p A membrana que se esforça para enrolar devido às ondas de compressão-extensão comuns compete com o efeito de suavizar as ondas transversais devido a uma força externa aplicada. Isso resulta em uma mudança no sinal do coeficiente de Poisson. Em outras palavras, se a força externa é alta, as propriedades auxéticas anormais são suprimidas e o coeficiente de Poisson é positivo. Como os cientistas mostraram, as propriedades incomuns do grafeno são baseadas naquele estado de repouso ligeiramente amassado. "Em dobras de ondas de curvatura transversais, energia adicional é armazenada, que é responsável pela elasticidade anormal do grafeno e outras propriedades incomuns. Por exemplo, quando o grafeno aquecido começa a encolher na direção longitudinal, já que toda a extensão vai para dobras transversais, "diz Kachorovskii." E a característica universal que determina exatamente o comportamento do grafeno é o coeficiente de Poisson. Com sua ajuda, você pode descrever e prever um grande número de propriedades do grafeno e de outros materiais. "

p O que é mais, o trabalho atual contém a explicação de por que estudos anteriores do coeficiente de Poisson do grafeno tiveram resultados contraditórios. “Nós derivamos um sistema analiticamente completo de equações para o equilíbrio elástico da folha de grafeno. Acontece que existem dois modos de comportamento para a membrana de grafeno. todas as propriedades do grafeno são determinadas por fórmulas padrão e o coeficiente de Poisson é positivo. Ao mesmo tempo, para amostras maiores do que o chamado comprimento de Ginzburg, um regime de elasticidade anormal é realizado, levando a coeficiente de Poisson negativo, "adiciona Kachorovskii. Para o grafeno, O comprimento de Ginzburg varia de 40 a 70 angstroms. O tamanho das amostras utilizadas na prática é certamente maior, portanto, é possível ver o comportamento auxético mais incomum.

p A explicação desse fenômeno também está ligada a ondas de diferentes tipos, que interagem entre si de uma maneira muito complicada. "O comprimento de Ginzburg caracteriza a escala em que essas interações não podem mais ser negligenciadas à medida que começam a deslocar anormalmente o material. Por exemplo, essa interação em grande escala não permite que os cristais bidimensionais se contraiam em uma bola, "explica Kachorovskii. Diferentes substâncias têm diferentes comprimentos de Ginzburg e conhecê-los é extremamente importante para o desenvolvimento de novos materiais." Muitas vezes as pessoas criam novos materiais sem calcular o comprimento de Ginzburg e então tentam encontrar algo incomum em suas propriedades. Mas nosso trabalho mostra que se o comprimento de Ginzburg for tão grande quanto 1 quilômetro, por exemplo, amostras de tamanho regular não mostrarão nenhuma propriedade especial, "Notas Kachorovskii.

p O fato de que o grafeno pode esticar normal ou anormalmente, dependendo da força aplicada em perspectiva, ajudará a criar sensores de som hipersensíveis, por exemplo. "As ondas sonoras estendem a membrana de grafeno, e dependendo do grau de alongamento, o grafeno altera visivelmente a resistência elétrica. Os cálculos mostram que a sensibilidade desse detector pode ser gigantesca. Além disso, em auxéticos, a velocidade do som é visivelmente maior do que em materiais "normais". O valor de outras constantes elásticas, por exemplo, o módulo de Young permanece o mesmo. Portanto, quando o grafeno torna-se esticado ao estado de auxético, o som se espalha muito rapidamente. Isso nos permite criar sensores ultrarrápidos que podem detectar uma mudança muito rápida de oscilações, "diz Kachorovskii.