Графенът се трансформира в диамантоподобен материал при стайна температура

Ваня Милева Последна промяна на 04 December 2025 в 00:00 8022 0

Илюстрация на симулация, показваща двуслоен графен (в синьо), легиран с 10% азот (в червено), претърпяващ фазов преход, за да образува sp³-хибридизирани въглеродни атоми (в жълто).

Кредит Nitika Parashar et al
Илюстрация на симулация, показваща двуслоен графен (в синьо), легиран с 10% азот (в червено), претърпяващ фазов преход, за да образува sp³-хибридизирани въглеродни атоми (в жълто).

Графенът притежава забележителна комбинация от лекота, гъвкавост и здравина. Сега изследователи показват, че под налягане той може за кратко да придобие характеристиките на диамант.

Чрез въвеждане на азотни атоми и прилагане на налягане, екип учени е успял да превърне двуслоен графен, отгледан чрез химическо отлагане на пари, в диамантоподобна фаза – без необходимост от екстремна топлина. Откритието, публикувано в Advanced Materials Technologies, показва мащабируем начин за създаване на ултратънки покрития, които съчетават здравината на диаманта с обработваемостта на графена.

Как азотът и налягането трансформират графена. Как работи трансформацията?

Екип, ръководен от Елиза Ридо (Elisa Riedo), професор по химично и биомолекулярно инженерство в Нюйоркския университет, се фокусира върху деликатния баланс между две форми на въглеродни връзки. В обикновения графен въглеродните атоми се свързват чрез sp² връзки в плоска структура тип "пчелна пита", което води до неговата електрическа проводимост и механична якост.

Диамантът, от друга страна, е изграден от sp³ връзки в триизмерна мрежа, която придава изключителната му твърдост. Превръщането на едната в другата фаза обикновено изисква екстремно налягане и температура. Екипът открива, че азотното легиране понижава тази бариера, позволявайки преходът да се осъществи при стайна температура, когато слоевете са притиснати един към друг.

Изследователите установяват, че добавянето на азотни атоми чрез процес на химическо отлагане от пари (CVD - chemical vapor deposition) и прилагането на механично налягане може да трансформира двуслойния графен в материал с sp³ връзки, подобен на диаманта.

За да тестват ефекта, изследователите са използвали CVD двуслойни графенови филми върху силициев диоксидни субстрати и са включили азотни атоми по време на процеса на растеж. След това прилагат механично налягане, използвайки техника, известна като модулирано наноиндентиране - техника за механично изпитване, използвана за измерване на свойствата на малки обеми материал чрез натиск на остър връх на индентора в повърхността и измерване на получената крива сила-деформация. Това е неразрушителен метод, който може да определи механични характеристики като твърдост, модул на еластичност, устойчивост на разрушаване и др., особено в тънки филми, наноматериали и биоматериали.

Двуслойните филми, легирани с азот, показват почти два пъти по-голяма твърдост от голия субстрат, което предполага образуването на по-здрави, диамантоподобни междуслойни връзки. За разлика от това, монослойните или по-дебелите многослойни проби, легирани с азот, не показват сравнимо втвърдяване, което показва, че ефектът зависи както от легирането, така и от прецизната структура на двуслойния слой.

Симулации разкриват промени на атомно ниво

Симулациите на молекулярната динамика предоставят възможно обяснение. Моделите показват, че азотните атоми стимулират образуването на sp³ връзки между двата слоя, когато те са компресирани. Азотните атоми изглежда стабилизират тези междуслойни връзки, като ефективно "заключват" части от двата слоя в по-диамантена конфигурация.

Това е нов непознат досега начин за трансформиране на атомната структура на графена.

Въпроси и перспективи за приложение

Последиците се простират отвъд простото любопитство към въглеродната химия. Тъй като експериментите използват графен с голяма площ, отгледан чрез химическо отлагане на пари, процесът е по своята същност съвместим с индустриалните методи на производство и размерите на пластините. Трансформацията се случва и при умерени условия, като се избягват високите температури, които обикновено разрушават или изкривяват 2D материалите. По принцип подходът може да доведе до ултратънки, леки покрития, които са устойчиви на износване и деформация, като същевременно запазват предимствата на графеновите субстрати.

Остават нерешени въпроси: дали диамантоподобната фаза се запазва след премахване на налягането и как тази трансформация влияе върху електронните свойства на материала.

По-нататъшните изследвания ще се фокусират върху оптимизиране на нивото на легиране, налягането и избора на субстрат.

Това изследване показва, че дори добре проучени материали като графена продължават да разкриват изненади. Възможността за контролирано модифициране на свойствата на въглеродните материали отваря пътя към създаването на адаптивни покрития и електронни устройства от следващо поколение. графен, наноматериали, въглеродни материали

Справка: Nitika Parashar et al, Pressure and Nitrogen Induced Phase Transition in Bilayer CVD Graphene, Advanced Materials Technologies (2025). DOI: 10.1002/admt.202500929

Източник: Coaxing bilayer graphene into a single diamond-like layer for industrial applications, NYU Tandon School of Engineering

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !