Ограничение движения атомов объяснило аномальную жёсткость тонких плёнок

Исследователи обнаружили фундаментальный закон, объясняющий парадоксальное усиление механических свойств материалов при уменьшении их толщины до нанометровых размеров. Открытие опубликовано в журнале PNAS и касается явления, которое долгое время оставалось загадкой для научного сообщества.

На протяжении последнего десятилетия экспериментальные исследования и компьютерное моделирование фиксировали странный эффект: когда материалы достигают толщины всего несколько нанометров или составляют всего несколько атомных слоев, они демонстрируют значительное повышение устойчивости к механическим нагрузкам. Это поведение регистрировалось в графене, оксиде графена и тонких полимерных пленках, несмотря на их кардинально различные химические составы и структуру.

Алессио Закконе и его команда применили концепцию неаффинной упругости для объяснения этого явления. Согласно их анализу, в реальных материалах атомы и молекулы совершают коллективные движения, которые помогают ослабить внутренние напряжения при деформации. Однако в ультратонких образцах геометрические ограничения препятствуют длинноволновым режимам деформации, лишая материал обычных путей релаксации напряжения. Это ограничение приводит к повышению жесткости структуры.

Исследование выявило математическую зависимость этого эффекта. Увеличение жесткости материала обратно пропорционально кубу его толщины. На практике это означает, что уменьшение толщины в два раза усиливает эффект ограничения подвижности примерно в восемь раз.

Значимость открытия заключается в его универсальности. Один и тот же закон масштабирования применим к материалам с совершенно различными структурами, что указывает на наличие глубокого физического принципа, независимого от конкретного химического состава.

Результаты исследования имеют практическое значение для разработки новых материалов в наноэлектронике, гибкой электронике, защитных покрытиях и наноустройствах. Понимание механизмов, управляющих поведением материалов на наномасштабе, позволит создавать структуры, сочетающие легкость с высокой прочностью.