วิทยาศาสตร์วัสดุได้บรรลุความก้าวหน้าครั้งสำคัญ — การกำเนิดของวัสดุคาร์บอนชนิดใหม่ “ชั้นคาร์บอนอำพันแบบเดี่ยว” (Monolayer Amorphous Carbon, MAC) วัสดุนี้ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ (NUS) และมหาวิทยาลัยไรซ์ (Rice University) โดยมีคุณสมบัติเด่นในด้านความแข็งแรงและความยืดหยุ่น ซึ่งทำให้ได้รับความสนใจอย่างกว้างขวางจากวงการวิจัย
สารบัญ
ปัญหาความแข็งแรงและความเปราะบาง
แม้แต่วัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดก็ยังยากที่จะหลีกเลี่ยงการเกิดรอยแตกภายใต้ความกดดัน ซึ่งเป็นความท้าทายที่นักวิทยาศาสตร์วัสดุกำลังพยายามเอาชนะอยู่ กราฟีนแม้ว่าจะมีความแข็งแกร่งสูงมาก แต่เนื่องจากลักษณะการแตกหักที่เปราะบาง หากเกิดรอยแตกขึ้น มันจะขยายตัวอย่างรวดเร็วและทำให้โครงสร้างพังทลาย ซึ่งจำกัดการใช้งานในทางปฏิบัติ
โครงสร้างพิเศษของ MAC: ความแข็งแรงและความยืดหยุ่นในเวลาเดียวกัน
การค้นพบ MAC ได้ประสบความสำเร็จในการทำลายข้อขัดแย้งระหว่างความแข็งแกร่งและความยืดหยุ่น เช่นเดียวกับกราฟีน MAC เป็นวัสดุสองมิติหรือวัสดุที่มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม แต่แตกต่างจากกราฟีนคือ MAC ไม่ได้มีการตกผลึกอย่างสมบูรณ์ แต่มันเป็นวัสดุผสมที่ประกอบด้วยพื้นที่ตกผลึกและพื้นที่อำพันที่สอดคล้องกัน โครงสร้างพิเศษนี้ไม่เพียงแต่รักษาความแข็งแกร่งของกราฟีนเอาไว้ แต่ยังให้ความยืดหยุ่นที่มากกว่ากราฟีนถึงแปดเท่า ซึ่งเป็นโครงสร้างผสมที่มอบความยืดหยุ่นเฉพาะตัวให้กับ MAC สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่า วิธีการออกแบบแบบผสมอาจเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการลดความเปราะบางของวัสดุสองมิติ
Bongki Shin นักศึกษาปริญญาโทด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์นาโนจากมหาวิทยาลัยไรซ์ และผู้เขียนหลักของการศึกษา กล่าวว่า “โครงสร้างพิเศษนี้สามารถยับยั้งการขยายตัวของรอยแตกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้วัสดุสามารถดูดซับพลังงานได้มากขึ้นก่อนที่จะเกิดการแตกหัก”
ขยายศักยภาพการใช้งานของวัสดุสองมิติ
วัสดุสองมิติเนื่องจากมีคุณสมบัติทางกายภาพและเคมีที่โดดเด่น จึงมีศักยภาพในการใช้งานในหลายด้าน เช่น ผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์, การจัดเก็บพลังงาน, เซ็นเซอร์ และเทคโนโลยีสวมใส่ อย่างไรก็ตาม ความเปราะบางที่เป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุสองมิตินั้น ยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญที่จำกัดการนำไปใช้งานในทางปฏิบัติ
เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอแนวทางสองประการในการเพิ่มความยืดหยุ่น:
การเพิ่มความยืดหยุ่นจากภายนอก — การเพิ่มโครงสร้างนาโนเสริมในฟิล์ม
การเพิ่มความยืดหยุ่นภายใน — การปรับเปลี่ยนโครงสร้างภายในวัสดุเพื่อเพิ่มความยืดหยุ่น
โครงสร้างของ MAC ให้แบบจำลองอ้างอิงที่เหมาะสมสำหรับการศึกษาความเหนียวของวัสดุผสมในระดับนาโน และพิสูจน์ถึงความเป็นไปได้ของกลยุทธ์การเพิ่มความยืดหยุ่นภายใน
การพิสูจน์ทางวิทยาศาสตร์และการพัฒนาในอนาคต
นักวิจัยได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสแกนเพื่อทำการทดสอบการยืดในสถานที่ โดยสังเกตกระบวนการการเกิดและขยายตัวของรอยแตกใน MAC แบบเรียลไทม์ ในขณะเดียวกัน ทีมงานจากสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ (MIT) โดย Markus Buehler ได้ใช้การจำลองพลศาสตร์โมเลกุลเพื่อวิเคราะห์จากระดับอะตอมว่า การผสมผสานระหว่างพื้นที่ผลึกและพื้นที่อ amorphous ส่งผลต่อพลังงานการแตกหักของวัสดุอย่างไร
“การสังเคราะห์และการถ่ายภาพวัสดุที่ไม่มีระเบียบในระดับอะตอมเป็นสิ่งที่ท้าทายมาก และในอดีตนั้นเป็นเรื่องยากที่จะทำให้สำเร็จ” ผู้ช่วยศาสตราจารย์ Yimo Han จากภาควิชาวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์นาโนของมหาวิทยาลัย Rice กล่าว “ด้วยการพัฒนาเทคนิคการสังเคราะห์วัสดุนาโนและการถ่ายภาพความละเอียดสูง เราได้ค้นพบวิธีใหม่ที่สามารถเพิ่มความยืดหยุ่นให้กับวัสดุ 2D ได้อย่างมีนัยสำคัญโดยไม่ต้องใช้ชั้นเพิ่มเติม”
ผลการวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารวิชาการระดับนานาชาติ “Matter” ซึ่งได้เปิดโอกาสใหม่ๆ สำหรับการออกแบบและการประยุกต์ใช้งานวัสดุ 2D ในอนาคต การค้นพบนี้ไม่เพียงแต่ให้กลยุทธ์ที่มีประสิทธิภาพในการแก้ปัญหาความเปราะบางของวัสดุ แต่ยังได้วางรากฐานสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประสิทธิภาพสูง อุปกรณ์ยืดหยุ่น และเซ็นเซอร์ขั้นสูง.
อ้างอิง
- วัสดุ 2D ที่มีนวัตกรรมใหม่ “คาร์บอนแอมฟอรัสชั้นเดียว” (Monolayer Amorphous Carbon) ได้รับการเปิดตัว ซึ่งมีความทนทานสูงกว่ากราฟีนถึง 8 เท่า.
- A New Carbon Super-Material Is 8x Tougher Than Graphene
- “การเสริมความแข็งแกร่งโดยเนื้อแท้ของนาโนคอมโพสิตคาร์บอนอะมอร์ฟัสแบบชั้นเดียว” โดย Bongki Shin, Bo Ni, Chee-Tat Toh, Doug Steinbach, Zhenze Yang, Lucas M. Sassi, Qing Ai, Kangdi Niu, Junhao Lin, Kazu Suenaga, Yimo Han, Markus J. Buehler, Marku, Hyaal 395, 75, 25. DOI: 10.1016/j.matt.2025.102000
(ภาพปกจาก: Gustavo Raskoksy/Rice University)
สำหรับการบด เรามีการปรับแต่งตามความต้องการในการประมวลผล เพื่อให้มีประสิทธิภาพสูงสุด
ยินดีต้อนรับที่จะติดต่อเรา เราจะมีคนที่จะตอบคำถามของคุณ
หากคุณต้องการใบเสนอราคาแบบกำหนดเองโปรดติดต่อเรา
เวลาทำการฝ่ายบริการลูกค้า : จันทร์ – ศุกร์ 09:00~18:00 น.
โทร : 07 223 1058
หากมีข้อสงสัยหรือคำถามที่ไม่ชัดเจนทางโทรศัพท์ โปรดอย่าลังเลที่จะส่งข้อความส่วนตัวถึงฉันทาง Facebook ~~
เฟซบุ๊ก HonWay: https://www.facebook.com/honwaygroup
คุณอาจสนใจ…
