Ученые из Токийского научного института придумали новый компьютерный метод, который позволяет с высочайшей точностью предсказывать, как будут изгибаться сверхтонкие углеродные пленки — графеновые нанолисты. Это особенно ценно, когда в материале есть дефекты решетки. Раньше точно оценить их влияние на гибкость было почти невозможно.

Графен известен своей феноменальной прочностью и гибкостью. Но его настоящая магия начинается, когда в идеальной шестиугольной решетке появляются дефекты — так называемые дисклинации. Проще всего это представить на примере листа бумаги:

• Если вырезать один сектор из шестиугольника и склеить края, получится конус. Так в графене образуется пятичленное кольцо.
• Если вставить дополнительный сектор, поверхность станет седлообразной. Так появляется семичленное кольцо.

Эти искривления — не брак, а инструмент дизайна. Например, «волнистый» графен (его называют „egg-tray“) с периодичными дефектами отлично поглощает удары. А структуры с семичленными кольцами ведут себя как нанопружины.

Чтобы системно изучать такие материалы, команда под руководством доцента Сяо-Вэнь Лэй объединила две мощные методики: молекулярную динамику и теорию изгибаний Хельфриха. Теория Хельфриха описывает, как тонкие мембраны изгибаются, основываясь на энергетических затратах. Изначально ее применяли для биологических клеточных мембран, но она отлично подходит и для графена. Однако решать ее уравнения аналитически очень сложно. На помощь приходят компьютерные модели — молекулярно-динамические симуляции, которые рассчитывают движение каждого атома.

Ученые проанализировали четыре основные типа дефектов:

Расчеты показали два ключевых результата. Во-первых, тенденции изменения жесткости у листов с одиночными дефектами (монополями) и с парами дефектов (диполями) — разные. Во-вторых, когда два дефекта в диполе расположены далеко друг от друга, жесткость на изгиб перестает меняться и выходит на постоянное значение. Это доказывает, что механические свойства можно тонко настраивать, меняя плотность и расположение дефектов.

Наш подход позволяет напрямую оценивать жесткость на изгиб графеновых листов с дефектами решетки, используя только их атомарную конфигурацию, без проведения экспериментов, — поясняет Сяо-Вэнь Лэй.

Реальная польза этого исследования заключается в ускоренном создании материалов с заданными свойствами. Вместо метода проб и ошибок инженеры смогут использовать компьютерное моделирование для проектирования:

• Нанопружин для микроскопических устройств и датчиков.
• Сверхпрочных композитных материалов, где графен будет армирующей основой, оптимизированной под конкретные нагрузки.
• Ударопрочных покрытий следующего поколения для аэрокосмической и автомобильной промышленности.

Критическое замечание: Предложенный метод, хотя и мощный, опирается на точность компьютерных моделей и используемых силовых полей в молекулярной динамике. Эти расчеты требуют значительных вычислительных ресурсов, особенно для больших систем. Кроме того, метод еще предстоит валидировать для самых сложных и неупорядоченных типов дефектов, чтобы доказать свою универсальность.

Ранее мы выясняли, где используются технологии на основе графена.