Det är ett vanligt hack att sträcka ut en ballong för att göra den lättare att blåsa upp. När ballongen sträcker sig krymper bredden korsvis till storleken av ett snöre. Noah Stokek, en Ph.D. student som samarbetar med västerländsk fysiker Giovanni Fanchini, har utvecklat ett nytt nanomaterial som visar motsatsen till detta fenomen.
Arbetar på Interface Science Western, hem för Tandetron Accelerator Facility, Stocek och Fanchini formulerade tvådimensionella nanoskivor av volfram-halvkarbid (eller W2 C, en kemisk förening som innehåller lika delar volfram- och kolatomer), som, när den sträcks i en riktning, expanderar vinkelrätt mot den applicerade kraften. Denna strukturella design är känd som auxetics.
Tricket är att strukturen på själva nanoarket inte är platt. Atomerna i arket är gjorda av repeterande enheter som består av två volframatomer för varje kolatom, vilka är ordnade metaforiskt som den fördjupade ytan på en äggkartong. När spänningen appliceras över det elastiska nanoarket i en riktning, expanderar det ut i den andra dimensionen när fördjupningarna plattas ut.
Före denna innovation fanns det bara ett rapporterat material som kunde expandera med 10 % per längdenhet på detta kontraintuitiva sätt. Den västerländska nanoskivan av volfram-halvkarbid kan expandera till 40 %, ett nytt världsrekord.
"Vi var specifikt ute efter att skapa ett tvådimensionellt nanomaterial från volfram-halvkarbid", säger Stocek. "Under 2018 förutspådde teoretiker att det kunde uppvisa detta beteende på en utmärkt nivå, men ingen hade kunnat utveckla det, trots omfattande försök från forskargrupper över hela världen."
Det var inte möjligt att konstruera det nya nanomaterialet av volfram-halvkarbid med kemiska medel, så Stocek och Fanchini förlitade sig på plasmafysik för att bilda enatomslagren. Gjord av laddade partiklar av atomer, plasma är det fjärde tillståndet av materia (med fast, flytande och gas). Plasma kan observeras i den naturliga världen i norrskenet, eller Aurora Borealis, och solens korona under den senaste solförmörkelsen. Den används också i neonbelysning, lysrör och platt-TV.
Typiskt är den instrumentering som används för att tillverka tvådimensionella nanomaterial speciella ugnar där gaser värms upp vid en tillräckligt hög temperatur för att reagera och bilda det önskade ämnet kemiskt. Detta tillvägagångssätt fungerade helt enkelt inte eftersom varje kemisk reaktion, den vanligaste processen, skulle leda till en annan produkt än det önskade nanomaterialet.
"Det var där de flesta forskare som försökte få tag på det här materialet före oss fastnade, så vi var tvungna att svänga", sa Fanchini.
Istället för att värma upp en gas gjord av volfram och kolatomer i ugnar, som skulle producera neutrala partiklar som du skulle få för fasta ämnen, vätskor eller gaser, designade Stocek och Fanchini en ny skräddarsydd instrumentering som producerar ett plasma, som består av elektriskt laddade partiklar.
Sträck ut mål
Det finns otaliga möjliga tillämpningar för dessa W2 C nanosheets, som börjar med en ny typ av töjningsmätare. Dessa kommersiellt tillgängliga mätare är ett standardsätt att mäta expansion och sträckning i allt från flygplansvingar till hushållsrör.
"Föreställ dig om du vill veta om ett rör i ditt hus deformeras och riskerar att spricka någon gång. Du kan sätta fast en sensor på röret gjord av detta tvådimensionella nanomaterial och sedan använda en dator för att övervaka strömmen som passerar genom det. Om strömmen stiger betyder det att röret expanderar och riskerar att spricka, säger Stocek.
Det nya nanomaterialet blir faktiskt mer elektriskt ledande, och det öppnar dörren för oändliga möjligheter att använda i saker som sensorer eller någon enhet som upptäcker händelser eller förändringar i miljön och skickar informationen till annan elektronik. En annan applikation är att bädda in materialet rätt i töjbar elektronik, som bärbar teknologi så att de får mer ledningsförmåga.
"Normalt sett skulle töjningsmätare förlita sig på det faktum att när du sträcker ett material blir det tunnare, och du ändrar ledningsförmågan hos ett material för att bära en ström", säger Fanchini. "Med detta nya nanomaterial skulle detta inte längre vara fallet."
Resultaten publiceras i tidskriften Materials Horizons .
Mer information: Noah B. Stocek et al, Giant Auxetic Behavior in Remote-plasma Synthesized Few-Layer Tungsten Semicarbide, Materials Horizons (2024). DOI:10.1039/D3MH02193A
Journalinformation: Material Horizons
Tillhandahålls av University of Western Ontario
