超越凱芙拉十倍強度:非晶硅碳化物或將顛覆材料科學

新材料超越了鑽石和石墨烯的強度,其屈服強度更是高出凱芙拉(一種被廣泛應用於防彈背心的材料)十倍。

荷蘭代爾夫特理工大學的研究團隊在助理教授Richard Norte的帶領下,公佈了一種具有顛覆性潛力的新材料:非晶硅碳化物(a-SiC)。

除了出色的強度外,這種材料還展示出對微芯片內振動隔離至關重要的機械屬性。因此,非晶硅碳化物特別適合用於製作超敏感的微芯片傳感器。

這種材料的潛在應用範圍非常廣泛,從超敏感的微芯片傳感器和先進的太陽能電池,到開創性的太空探索和DNA測序技術等。該材料的強度優勢以及其可擴展性的結合,使其具有極高的發展前景。

十輛中型汽車

Norte解釋說,“要理解‘非晶’這個關鍵特性,可以把大多數材料想象成由規則排列的原子構成的,就像精心搭建的樂高塔一樣。”這些被稱爲“晶態”材料,比如鑽石,它的碳原子排列得十分完美,這也是其硬度出名的原因。然而,非晶材料則類似隨機堆砌的樂高積木,原子排列無序。但是,與人們的預期相反,這種隨機性並沒有導致材料的脆弱。事實上,非晶硅碳化物正是這種隨機性產生強度的證明。

這種新材料的抗拉強度爲10 GigaPascal(GPa)。Norte說:“要理解這是什麼意思,可以想象一下試圖把一條膠帶拉斷的情景。如果你想模擬抗拉應力相當於10 GPa的情況,你需要在這條膠帶上掛約十輛中型汽車才能拉斷。”

納米線

研究人員採用了一種創新方法來測試這種材料的抗拉強度。他們利用微芯片技術,通過在硅基底上生長非晶硅碳化物薄膜並將其懸浮,利用納米線的幾何形狀產生高拉應力。通過製造許多具有不斷增加的拉應力的這樣的結構,他們精確觀察到斷裂的點。這種基於微芯片的方法不僅確保了前所未有的精度,也爲未來的材料測試鋪平了道路。

爲什麼關注納米線?“納米線是基本的構建模塊,可以用來構造更復雜的懸浮結構。在納米線上展示高屈服強度,就等於在其最基本的形式上展示了強度。”

從微觀到宏觀

最後,使這種材料獨一無二的是其可擴展性。衆所周知,石墨烯(一種單層碳原子材料)具有驚人的強度,但在大量生產上面臨挑戰。鑽石雖然強度極高,但在自然界中罕見,或者合成成本高昂。而非晶硅碳化物則可以在晶圓尺度上生產,提供了大片的這種超強韌性材料。

Norte最後總結道:“隨着非晶硅碳化物的出現,我們正處於充滿技術可能性的微芯片研究的門檻上。”

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