Физики объяснили, почему ультратонкие пленки становятся прочнее с уменьшением толщины

Некоторые материалы ведут себя нелогично. Достаточно вспомнить эффект Мпембы: горячая вода замерзает быстрее холодной. Она еще и расширяется, превращаясь в лед — но это настолько обыденно, что и парадоксом уже не кажется.

Более современный пример нелогичного физического поведения — ультратонкие пленки. Казалось бы, с уменьшением толщины прочность листа должна падать. Но все происходит с точностью до наоборот. И самое интересное — это касается самых разных материалов, будь то сверхактуальный ныне графен, его оксид или полимеры.

На это удивительное сходство обратил внимание профессор Алессио Закконе из Миланского университета. Он вполне резонно предположил, что за этим может стоять какой-то универсальный физический закон, а не химические свойства материалов — и вывел его в статье в журнале PNAS.

Объяснение эффекта кроется в неаффинной деформации, присущей реальным материалам. Атомы и молекулы не просто следуют внешнему воздействию идеально упорядоченным образом. Они совершают дополнительные коллективные движения, помогающие снять внутренние напряжения — и это делает материал мягче.

Можно провести аналогию с толпой на вокзале, где люди пытаются освободить место. Если ничто не мешает двигаться, давление снимается за счет множества перестроений на разных масштабах. Но стоит ограничить пространство для маневра — толпа «застывает», становится жестче и хуже подстраивается.

Нечто похожее происходит и в ультратонких материалах. Когда материал зажат в чрезвычайно малой толщине, многие длинноволновые коллективные моды деформации просто перестают существовать. Материал теряет часть путей, которые обычно позволяют ему деформироваться. В результате он становится механически жестче.

Из микроскопических движений атомов и их динамики Закконе вывел математический закон, описывающий парадоксальный эффект. К удивлению физика, формула оказалась поразительно простой.

Увеличение жесткости, вызванное геометрическим ограничением, обратно пропорционально кубу толщины. На практике уменьшение толщины в два раза увеличивает вклад ограничения примерно в восемь раз.

Этот же закон масштабирования описывает данные и для графена, и для оксида графена, и для тонких полимерных пленок, несмотря на колоссальные различия в их составе и структуре. Это означает, что явление связано не столько с химией, сколько с универсальным аспектом самой упругости.

«Часто в науке самые красивые открытия — не те, что являют нам нечто абсолютно новое, а те, что показывают: кажущиеся на первый взгляд совершенно разными вещи могут быть проявлениями одного и того же основополагающего принципа», — считает профессор.

Помимо чисто фундаментального интереса, выведенный им закон откроет путь к созданию будущих материалов — одновременно легких и механически стойких.

Учёные деформировали алмаз на наноуровне

В графене нашли частицы, которые помнят прошлое состояние

Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX