أقوى بعشر مرات من الكيفلار: كربيد السيليكون غير المتبلور يمكن أن يحدث ثورة في علم المواد

لعقود من الزمن، تم استخدام مواد الأغشية الرقيقة لإنتاج رنانات ميكانيكية عالية الحساسية تحت أحمال الشد العالية. على الرغم من إحراز تقدم كبير في تحقيق أجهزة استشعار ميكانيكية منخفضة التشتيت باستخدام إجهاد الشد العالي، فإن أداء حتى أفضل الاستراتيجيات محدود بسبب قوة تمزق الشد لمادة الرنان.

قدم الباحثون في جامعة TU Delft، بقيادة البروفيسور المساعد ريتشارد نورتي، مادة جديدة غير عادية تعد بالتأثير على عالم علم المواد: كربيد السيليكون غير المتبلور (a-SiC).

هذه المادة ليست قوية للغاية فحسب، بل تتمتع أيضًا بخصائص ميكانيكية مهمة لعزل اهتزاز الرقائق الدقيقة. ولذلك فإن كربيد السيليكون غير المتبلور مناسب بشكل خاص لصنع مستشعرات الرقائق الدقيقة فائقة الحساسية.

نطاق التطبيقات المحتملة واسع جدًا. بدءًا من أجهزة استشعار الرقائق الدقيقة فائقة الحساسية والخلايا الشمسية المتقدمة ووصولاً إلى تكنولوجيا رائدة في استكشاف الفضاء وتسلسل الحمض النووي. إن مزايا قوة المادة بالإضافة إلى قابليتها للتوسع تجعلها واعدة بشكل لا يصدق.

"لفهم هذه الخاصية الرئيسية لكونها غير متبلورة بشكل أفضل، فكر في معظم المواد على أنها مكونة من ذرات مرتبة في نمط منتظم، مثل برج ليغو المعقد،" يشرح نوت. "تسمى هذه المواد بالمواد "البلورية"، مثل الألماس. ذرات الكربون فيها كاملة، إلا أن المواد غير المتبلورة تشبه طوب الليغو المكدس عشوائيا، ولكن على عكس التوقعات، فإن هذه العشوائية لا تؤدي إلى الهشاشة. في الواقع، يوضح كربيد السيليكون غير المتبلور القوة التي تخلقها هذه العشوائية".

تتمتع المادة الجديدة بقوة شد تبلغ 10 جيجاباسكال (GPa). وقال نوت: "لفهم ما يعنيه هذا، تخيل أنك تحاول تمديد قطعة من الشريط حتى تنكسر". "الآن، إذا أردت محاكاة ما يعادل 10 جيجا باسكال من إجهاد الشد، فستحتاج إلى تعليق حوالي 10 سيارات متوسطة الحجم من طرف إلى طرف على الشريط قبل أن ينكسر."

nanspring

واستخدم الباحثون طريقة مبتكرة لاختبار قوة الشد للمادة. في حين أن الطرق التقليدية يمكن أن تسبب أخطاء بسبب الطريقة التي يتم بها تثبيت المادة في مكانها، إلا أنها استخدمت تقنية الرقائق الدقيقة. ومن خلال زراعة طبقة رقيقة من كربيد السيليكون غير المتبلور على ركيزة من السيليكون وتعليقها، استغلوا هندسة الحلقات النانوية لتحفيز قوى الشد العالية. ومن خلال صنع العديد من هذه الهياكل وزيادة قوة الشد، لاحظوا بعناية نقطة الانهيار. لا يضمن هذا النهج القائم على الرقائق الدقيقة دقة غير مسبوقة فحسب، بل يمهد الطريق أيضًا لاختبار المواد في المستقبل.

لماذا نحتاج إلى الاهتمام بالنانورات؟ Nanorings هي اللبنات الأساسية والأساس لبناء الهياكل المعلقة الأكثر تعقيدًا. إن إظهار قوة إنتاجية عالية في الحلقات النانوية هو إظهار القوة في أبسط أشكالها.

من الجزئي إلى الكلي

ما يجعل هذه المادة فريدة من نوعها هو قابليتها للتطوير. والجرافين، الذي يتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون، معروف بقوته المذهلة ولكن من الصعب إنتاجه بكميات كبيرة. على الرغم من أن الماس قوي بشكل لا يصدق، إلا أنه نادر في الطبيعة وتصنيعه مكلف. من ناحية أخرى، يمكن إنتاج كربيد السيليكون غير المتبلور على نطاق الرقائق، مما يوفر هذه المادة السائبة القوية بشكل لا يصدق.

وخلص نوت إلى القول: "مع ظهور كربيد السيليكون غير المتبلور، فإننا نقف على عتبة أبحاث الرقائق الدقيقة المليئة بالإمكانيات التكنولوجية".

تتمتع هذه المادة القوية ذات الأغشية الرقيقة بإمكانيات كبيرة للتطبيقات في أجهزة الاستشعار الميكانيكية النانوية والخلايا الشمسية والتطبيقات البيولوجية واستكشاف الفضاء وغيرها من المجالات التي تتطلب القوة والاستقرار في البيئات الديناميكية. تفتح نتائج هذه الدراسة إمكانيات جديدة لاستخدام مواد الأغشية الرقيقة غير المتبلورة في التطبيقات عالية الأداء.

المصدر المجمع: ScitechDaily