Первые экспериментальные данные о графене, полученные в 2004 году, позволили создать совершенно новый класс материалов, так называемые двумерные (2D) твердые тела. Их название связано с тем фактом, что они имеют толщину всего в один слой атомов, что приводит к появлению экзотических свойств материала, которые могли бы принести пользу в различных областях применения. Графен, например, выделяется своей огромной электропроводностью, но в то же время он очень жесткий. Такая чрезвычайная жесткость является результатом сотовидного расположения атомов в материале. Интуитивно понятно, что удаление некоторых атомов из материала вместе с их связями должно привести к снижению жесткости. Однако научные исследования показали как незначительное снижение, так и значительное увеличение.

Эти противоречия теперь были прояснены с помощью новых измерений, проведенных исследователями из группы, возглавляемой Яни Котакоски из Венского университета. Эксперименты проводились с использованием самых современных устройств, работающих в одной и той же сверхчистой безвоздушной среде. Это позволяет транспортировать образцы между различными устройствами, не подвергаясь воздействию окружающего воздуха. "Эта уникальная система, которую мы разработали в Венском университете, позволяет нам исследовать 2D-материалы без помех", - объясняет Яни Котакоски. Ваэль Джоуди, первый автор исследования, добавляет: "Впервые такого рода эксперимент был проведен с графеном, полностью изолированным от окружающего воздуха и содержащихся в нем посторонних частиц. Без такого разделения эти частицы быстро осели бы на поверхности, что повлияло бы на процедуру эксперимента и измерения".

Фактически, внимание к тщательной чистоте поверхности материала привело к открытию так называемого эффекта гармошки в отношении жесткости графена: уже удаление двух соседних атомов приводит к заметному выпячиванию изначально плоского материала. Несколько выпуклостей вместе образуют гофру материала: "Вы можете представить это как гармошку. При растяжении волнистый материал теперь сплющивается, что требует гораздо меньшего усилия, чем растягивание плоского материала, и поэтому он становится более растяжимым", - объясняет Ваэль Джоуди. Моделирование, проведенное физиками-теоретиками Рикой Саскией Виндиш и Флорианом Либишем из Венского технологического университета, подтверждает как образование волн, так и возникающую в результате растяжимость.

Эксперименты также показали, что посторонние частицы на поверхности материала не только подавляют этот эффект, но и приводят к противоположному результату. В частности, их влияние делает материал более жестким, что также объясняет противоречия прошлого. "Это показывает важность измерительной среды при работе с 2D-материалами. Полученные результаты открывают способ регулировать жесткость графена и, таким образом, прокладывают путь для потенциальных применений", - заключает Ваэль Джоуди.

Исследование было полностью или частично профинансировано Австрийским научным фондом (FWF).