Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Elastyczny diament

Recommended Posts

Diament to najtwardszy z naturalnych materiałów i ta jego właściwość jest szeroko wykorzystywana. Jednak z twardością ściśle związana jest kruchość. Naukowcy z USA, Hongkongu, Singapuru i Korei Południowej wykazali właśnie, że jeśli wyhodujemy diamenty o kształcie niezwykle cienkich igieł, można je zginać i rozciągać, a igły wrócą do oryginalnego kształtu.

O niezwykłym odkryciu donieśli naukowcy z MIT, singapurskiego Uniwersytetu Technologicznego Nanyang, Miejskiego Uniwersytetu w Hongkongu oraz instytucji naukowych z Korei Południowej. Zdaniem uczonych, nowo zaobserwowana właściwość diamentów pozwoli wykorzystać je z czujnikach środowiskowych, systemach przechowywania danych, biokompatybilnym obrazowaniu in vivo czy optoelektronice.

Międzynarodowy zespół naukowy wykazał, że diamentowe igły o kształcie podobnym do gumowych końcówek włosków niektórych szczoteczek do zębów, ale o przekroju kilkuset nanometrów, mogą zginać się i rozciągać o 9%, a następnie powracają do oryginalnego kształtu. To zaskakujące, gdyż standardowo możliwość rozciągania i zginania diamentów jest znacznie niższa niż 1%.

Użyte w eksperymentach diamentowe igły zostały uzyskane metodą osadzania z warstwy gazowej. Ich właściwości testowano pod skaningowym mikroskopem elektronowym, gdzie były poddawana naciskowi standardowej końcówki diamentowej.

Naukowcy, bazując na swoich eksperymentach, stworzyli dokładny model pokazujący, w jaki sposób rozkładają się siły w diamentowych igłach, a przeprowadzone symulacje wirtualnych igieł wykazały, że bez ryzyka pęknięcia wytrzymują zginanie i rozciąganie o 9 procent. Symulacje wykazały też, że bardziej wytrzymałe są struktury z pojedynczego kryształu diamentu, niż te złożone z wielu miniaturowych elementów.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Inżynierowie z University of Illinois pogodzili ekspertów, którzy nie mogli dotychczas dojść do porozumienia, co do właściwości grafenu odnośnie jego zginania. Dzięki połączeniu eksperymentów z modelowaniem komputerowym określili, ile energii potrzeba do zgięcia wielowarstwowego grafenu i stwierdzili, że wszyscy badacze, którzy uzyskiwali sprzeczne wyniki... mieli rację.
      Większość badań nad grafenem skupia się na zbudowaniu z niego przyszłych urządzeń elektronicznych. Jednak wiele technologii przyszłości, jak elastyczna elektronika, czy miniaturowe niewidoczne gołym okiem roboty, wymagają zrozumienia nie tylko właściwości elektrycznych, ale i mechanicznych grafenu. Musimy się dowiedzieć przede wszystkim, jak materiał ten rozciąga się i zgina.
      Sztywność materiału to jedna z jego podstawowych właściwości mechanicznych. Mimo tego, że badamy grafen od dwóch dekad, wciąż niewiele wiemy na temat tej jego właściwości. A dzieje się tak, gdyż badania różnych grup naukowych dawały wyniki, różniące sie od siebie o całe rzędy wielkości, mówi współautor najnowszych badań, Edmund Han.
      Naukowcy z Illinois odkryli, dlaczego autorzy wcześniejszych badań uzyskiwali tak sprzeczne wyniki. Zginali grafen albo w niewielkim albo w dużym stopniu. Odkryliśmy, że w sytuacjach tych grafen zachowuje się odmienne. Gdy tylko trochę zginasz wielowarstwowy grafen, to zachowuje się on jak sztywna płyta, jak kawałek drewna. Jeśli jednak zegniesz go mocno, zaczyna zachowywać się jak ryza papieru, poszczególne warstwy atomów ślizgają się po sobie, wyjaśnia Jaehyung Yu.
      Ekscytujące jest to, że mimo iż wszyscy uzyskiwali odmienne wyniki, to wszyscy mieli rację. Każda z grup mierzyła coś innego. Opracowaliśmy model, który wyjaśnia wszystkie różnice poprzez pokazanie, jak się one mają do siebie w zależności od kąta wygięcia grafenu, mówi profesor Arend van der Zande.
      Naukowcy stworzyli własne płachty wielowarstwowego grafenu i poddawali je badaniom oraz modelowaniu komputerowemu. W tej prostej strukturze istnieją dwa rodzaje sił zaangażowanych w zginanie grafenu. Adhezja, czyli przyciąganie atomów na powierzchni, próbuje ściągnąć materiał w dół. Im jest on sztywniejszy, tym większy opór stawia adhezji. Wszelkie informacje na temat sztywności materiału są zakodowane w kształcie, jaki przybiera on na poziomie atomowym podczas zginania, dodaje profesor Pinshane Huang. Naukowcy szczegółowo kontrolowali, w jaki sposób materiał się zgina i jak w tym czasie zmieniają się jego właściwości.
      Jako, że badaliśmy różne kąty wygięcia, mogliśmy zaobserwować przejście z jednego stanu, w drugi. Ze sztywnego w giętki, ze sztywnej płyty do zachowania ryzy papieru, stwierdza profesor Elif Ertekin, który był odpowiedzialny za modelowanie komputerowe. Najpierw stworzyliśmy modele komputerowe na poziomie atomowym. Wykazały one, że poszczególne warstwy będą ślizgały się po sobie. Gdy już to wiedzieliśmy, przeprowadziliśmy eksperymenty z wykorzystaniem mikroskopu elektronowego, by potwierdzić występowanie tego zjawiska". Okazuje się więc, że im bardziej grafen zostaje wygięty, tym bardziej elastyczny się staje.
      Badania te mają olbrzymie znaczenie np. dla stworzenia w przyszłości urządzeń, które będą na tyle małe i elastyczne, by mogły wchodzić w interakcje z komórkami czy materiałem biologicznym.
      Komórki mogą zmieniać kształt i reagować na sygnały ze środowiska. Jeśli chcemy stworzyć mikroroboty czy systemy o właściwościach systemów biologicznych, potrzebujemy elektroniki, która będzie w stanie zmieniać kształt i będzie bardzo miękka.  Możemy wykorzystać fakt, że poszczególne warstwy wielowarstwowego grafenu ślizgają się po sobie, dzięki czemu materiał ten jest o rzędy wielkości bardziej miękki niż standardowe materiały o tej samej grubości, wyjaśnia van der Zande.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      We wnętrzu Ziemi może znajdować się ponad biliard (1015) ton diamentów. Nie należy jednak spodziewać się, że ludzkość po nie sięgnie. Z badań przeprowadzonych przez naukowców z MIT oraz z innych amerykańskich, francuskich, niemieckich, brytyjskich i chińskich uczelni wyższych wynika, że diamenty znajdują się na głębokości ponad 160 kilometrów pod powierzchnią planety.
      Stanowią one część kratonu, najstarszej, utwardzonej części skorupy ziemskiej, która nie ulega już fragmentacji.
      Kraton ma kształt odwróconych gór, które mogą sięgać głębokości nawet 320 kilometrów. Naukowcy mówią tutaj o korzeniach kratonu, a diamenty mogą stanowić nawet 2% ich masy. Stąd też szacunki mówiące o biliardzie ton diamentów.
      To pokazuje, że diamenty nie są czymś niezwykłym. Z punktu widzenia geologii jest to dość powszechny materiał. Nie możemy po niego sięgnąć, ale wygląda na to, że diamentów jest więcej, niż sądziliśmy, mówi Ulrich Faul z MIT.
      Zdaniem Faula i jego kolegów diamenty w kratonie są widoczne w danych z badań sejsmicznych. Takie dane są od dekad zbierane przez wiele instytucji na całym świecie. Podczas badań sejsmicznych wykorzystuje się dźwięk do poznania budowy skorupy ziemskiej. Jako, że fale dźwiękowe poruszają się z różną prędkością zależną od temperatury, gęstości czy składu skał, przez które podróżują, pozwalają na obrazowanie tych skał.
      Od lat jednak naukowcy zmagali się z pewną zagadką. otóż wydaje się, że fale dźwiękowe znacznie przyspieszają w korzeniach kratonu. Korzenie te są chłodniejsze i mniej gęste od otoczenia, zatem fale powinny podróżować w nich szybciej, ale nie tak szybko, jak wskazują pomiary. Międzynarodowy zespół naukowy podjął się więc próby wytłumaczenia tego nagłego przyspieszenia.
      Najpierw naukowcy, na podstawie dostępnych danych, stworzyli trójwymiarowe modele fal dźwiękowych podróżujących przez główne ziemskie kratony. Następnie w laboratorium, na podstawie modeli komputerowych, badali sposób rozchodzenia się dźwięku w skałach o różnym składzie. Badania wykazały, że istnieje tylko jeden rodzaj skał, w którym fale poruszają się z dokładnie taką prędkością, co w korzeniach kratonu. Skały takie muszą składać się z takiej samej ilości perydotytów i eklogitów oraz z 1–2 procenta diamentów. Taka ilość diamentów zapewnia prędkość dźwięku odpowiadającą tej zmierzonej, a jednocześnie nie wpływa na zmianę gęstości kratonów.
      One są jak kawałki drewna unoszące się w wodzie. Kratony są nieco mniej gęste niż ich otoczenie, zatem nie zanurzają się głębiej i dzięki temu zachowały się w nich najstarsze skały. Odkryliśmy, że wystarczy 1–2 procent diamentów, by kratony były stabilne i nie tonęły, mówi Faul.
      Odkrycie jest całkowicie zgodne z naszą obecną wiedzą na temat diamentów. Te bowiem powstają we wnętrzu Ziemi, gdzie panuje wysokie ciśnienie i wysoka temperatura. Na powierzchnię wydostają się w wyniku erupcji wulkanów. Erupcje te tworzą kominy wulkaniczne z kimberlitu. W znaczniej mierze kimberlitowe kominy wulkaniczne występują tam, gdzie występuje kratom.
      To dowód pośredni, ale by go zdobyć połączyliśmy wszystkie elementy układanki. Rozważaliśmy wszystkie możliwe scenariusze i to jedyne logiczne wyjaśnienie, zapewnia Faul.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Uczeni z należącego do Carnegie Institution Laboratorium Geofizycznego odkryli nową formę węgla, która jest tak wytrzymała jak diament. Zespół badawczy, na którego czele stała Wendy L. Mao z Uniwersytetu Stanforda, rozpoczął swoją pracę od węgla szklistego, który po raz pierwszy został zsyntetyzowany w latach 50. ubiegłego wieku.
      Próbkę takiego materiału poddano ciśnieniu 400 000 razy większemu niż ciśnienie atmosferyczne. W ten sposób powstała nowa, niezwykle wytrzymała odmiana węgla. Dalsze badania wykazały, że jest ona w stanie przetrwać przyłożone w jednym kierunku ciśnienie 1,3 miliona razy większe od ciśnienia atmosferycznego, a w innych kierunkach - 600 000 razy większe. Dotychczas jedynie diament wykazywał się taką wytrzymałością.
      Jednak w przeciwieństwie do diamentu nowa forma nie ma struktury krystalicznej. To materiał amorficzny. Dalsze badania powinny wykazać, czy ma ona dzięki temu pewną przewagę nad diamentem. Dzięki amorficznej budowie twardość nowej formy może być izotropowa, czyli może być ona jednakowo twarda we wszystkich kierunkach. W przypadku diamentu twardość zależy od orientacji kryształu.
      Nowy materiał może posłużyć do budowy niezwykle twardych kowadełek przydatnych w badaniach laboratoryjnych, może też stać się zaczątkiem nowych bardzo gęstych i wytrzymałych materiałów.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Profesor Wuzong Zhou ze szkockiego Uniwersytetu św. Andrzeja odkrył, że podczas palenia świecy w każdej sekundzie w płomieniu powstaje ok. 1,5 mln nanocząstek diamentu.
      Świece wynaleziono ponad 2 tys. lat temu w starożytnych Chinach, trzeba było jednak współczesnego zakładu z kolegą po fachu, by rozszyfrować tajemnice związane z ich spalaniem. Kolega z innego uniwersytetu powiedział do mnie: "Nikt, oczywiście, nie wie, z czego tak naprawdę składa się płomień świecy". Odpowiedziałem mu, że nauka może ostatecznie wyjaśnić wszystko, dlatego postanowiłem spróbować.
      Podczas eksperymentów profesorowi asystował student Zixue Su. Dzięki technice próbkowania wynalezionej przez Zhou naukowcy byli w stanie pobrać cząstki z centralnej części płomienia. Dodajmy, że wcześniej nikomu się to jeszcze nie udało. Okazało się, że znajdowały się tam cztery odmiany alotropowe węgla: diament, grafit, węgiel amorficzny i fulereny (choć część naukowców podkreśla, że w przypadku tych ostatnich poprawnie za odmianę alotropową należy uznać kryształ fuleryt, który składa się z cząsteczek fulerenów). To spore zaskoczenie, ponieważ każda z form powstaje zazwyczaj w innych warunkach.
      W dolnej części płomienia występują węglowodory, które po drodze na szczyt ulegają w wyniku różnych reakcji przekształceniu w dwutlenek węgla. Co się jednak dokładnie dzieje w międzyczasie, chemicy nie wiedzieli. Zhou i Su ustalili, że w centrum płomienia znajdują się nanocząstki diamentów, fulereny, a także grafit i węgiel amorficzny.
      Akademicy z University of St Andrews uważają, że ich odkrycie może pozwolić opracować tańsze i bardziej przyjazne dla środowiska metody pozyskiwania diamentów, które jak wiadomo, są cennym materiałem przemysłowym. Niestety, cząstki diamentu są spalane i przekształcane w dwutlenek węgla, ale nasze ustalenia na zawsze zmienią sposób, w jaki postrzegamy płomień świecy.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) oraz niemieckiego Uniwersytetu w Konstancji dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie wykorzystania diamentów w fizyce kwantowej. Ich prace mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych.
      Uczonym udało się przesłać kwantową informację z elektronu w diamencie do sąsiedniego jądra atomu i z powrotem przy użyciu układu scalonego. Już przed dwoma laty informowaliśmy, że profesor Marshall Stoneham z Londyńskiego Centrum Nanotechnologii na University College London stwierdził, iż diament będzie dla komputerów kwantowych tym, czym krzem jest dla współczesnych maszyn.
      To odkrycie może być użyteczne przy opracowywaniu atomowej wielkości elementów pamięci komputera kwantowego, bazujących na diamencie. Stany subatomowe są bowiem lepiej izolowane od destrukcyjnych wpływów zewnętrznych - mówi profesor David Awschalom z UCSB. Uczony dodaje, że badania wspomniane badania dowiodły, iż możliwe jest przeprowadzenie operacji o wysokim stopniu niezawodności na kwantowej bramce, co pozwala na przesłanie w temperaturze pokojowej pełnej kwantowej informacji pomiędzy spinem elektronu a spinem jądra atomu. Cały proces jest skalowalny, co otwiera drogę do budowy kwantowych układów pamięci.
      Azot to jedno z najczęściej spotykanych zanieczyszczeń diamentów. Gdy atom azotu w diamencie sąsiaduje z pustym miejscem w strukturze krystalicznej, wprowadzany tam dodatkowy element zapewnia nadmiarowy elektron, który zostaje uwięziony w dziurze. Już wiele lat temu wiedziano, jak zmienić spin takiego elektronu i wykorzystać to jako kwantowy bit. Teraz profesor Awschalom odkrył, w jaki sposób można powiązać spin elektronu ze spinem sąsiadującego jądra azotu.
      Szczególnie interesujący jest fakt, że atom azotu jest tutaj częścią niedoskonałości, a to oznacza, że takie subatomowe elementy pamięci będą się automatycznie skalowały w zależności od liczby bitów w komputerze kwantowym - stwierdził Greg Fuchs, jeden z głównych autorów badań.
      Naukowców wciąż czekają poważne wyzwania. Jednym z nich jest znalezienie sposobu na szybki transfer informacji z atomów azotu, zanim ulegną one dekoherencji.
×
×
  • Create New...