新材料超越了钻石和石墨烯的强度,其屈服强度更是高出凯芙拉(一种被广泛应用于防弹背心的材料)十倍。
荷兰代尔夫特理工大学的研究团队在助理教授Richard Norte的带领下,公布了一种具有颠覆性潜力的新材料:非晶硅碳化物(a-SiC)。
除了出色的强度外,这种材料还展示出对微芯片内振动隔离至关重要的机械属性。因此,非晶硅碳化物特别适合用于制作超敏感的微芯片传感器。
这种材料的潜在应用范围非常广泛,从超敏感的微芯片传感器和先进的太阳能电池,到开创性的太空探索和DNA测序技术等。该材料的强度优势以及其可扩展性的结合,使其具有极高的发展前景。
十辆中型汽车
Norte解释说,“要理解‘非晶’这个关键特性,可以把大多数材料想象成由规则排列的原子构成的,就像精心搭建的乐高塔一样。”这些被称为“晶态”材料,比如钻石,它的碳原子排列得十分完美,这也是其硬度出名的原因。然而,非晶材料则类似随机堆砌的乐高积木,原子排列无序。但是,与人们的预期相反,这种随机性并没有导致材料的脆弱。事实上,非晶硅碳化物正是这种随机性产生强度的证明。
这种新材料的抗拉强度为10 GigaPascal(GPa)。Norte说:“要理解这是什么意思,可以想象一下试图把一条胶带拉断的情景。如果你想模拟抗拉应力相当于10 GPa的情况,你需要在这条胶带上挂约十辆中型汽车才能拉断。”
纳米线
研究人员采用了一种创新方法来测试这种材料的抗拉强度。他们利用微芯片技术,通过在硅基底上生长非晶硅碳化物薄膜并将其悬浮,利用纳米线的几何形状产生高拉应力。通过制造许多具有不断增加的拉应力的这样的结构,他们精确观察到断裂的点。这种基于微芯片的方法不仅确保了前所未有的精度,也为未来的材料测试铺平了道路。
为什么关注纳米线?“纳米线是基本的构建模块,可以用来构造更复杂的悬浮结构。在纳米线上展示高屈服强度,就等于在其最基本的形式上展示了强度。”
从微观到宏观
最后,使这种材料独一无二的是其可扩展性。众所周知,石墨烯(一种单层碳原子材料)具有惊人的强度,但在大量生产上面临挑战。钻石虽然强度极高,但在自然界中罕见,或者合成成本高昂。而非晶硅碳化物则可以在晶圆尺度上生产,提供了大片的这种超强韧性材料。
Norte最后总结道:“随着非晶硅碳化物的出现,我们正处于充满技术可能性的微芯片研究的门槛上。”