مواد و ساخت پیشرفته

محققان دانشگاه صنعتی دلفت به سرپرستی دکتر ریچارد نورت از یک ماده جدید ویژه با پتانسیل تاثیرگذاری بر دنیای علم مواد رونمایی کردند: کاربید سیلیسیم آمورف! این ماده فراتر از استحکام استثنایی خود، خواص مکانیکی را نشان می‌دهد که برای جداسازی ارتعاش در یک ریزتراشه بسیار مهم است. بنابراین کاربید سیلیسیم آمورف به ویژه برای ساخت سنسورهای ریزتراشه فوق‌حساس مناسب است. ماده جدیدی که نه تنها با الماس و گرافن رقابت می‌کند بلکه دارای قدرت تسلیم ده برابر بیشتر از کولار است که به دلیل استفاده در جلیقه‌های ضد گلوله مشهور است.

دامنه کاربردهای بالقوه گسترده است. از حسگرهای ریزتراشه فوق‌حساس و سلول‌های خورشیدی پیشرفته گرفته تا فناوری‌های پیشگام در اکتشاف فضا و حتی در توالی‌یابی دی‌ان‌ای. مزایای استحکام این ماده همراه با مقیاس‌پذیری آن، آن را فوق‌العاده امیدوارکننده می‌کند.

نورت توضیح می‌دهد که برای درک بهتر ویژگی مهم آمورفی (بی‌شکلی) بیشتر مواد را از اتم‌هایی تشکیل شده‌اند که در یک الگوی منظم مانند یک برج لگو ساخته شده‌اند. اینها به عنوان مواد کریستالی نامیده می‌شوند مانند الماس. این اتم‌های کربن کاملاً در یک راستا قرار دارند و به سختی معروف آن کمک می‌کنند. با این حال مواد آمورف شبیه به مجموعه‌ای از لگوها هستند که به‌طور تصادفی انباشته شده‌اند، جاییکه اتم‌ها فاقد آرایش ثابت هستند. اما برخلاف انتظارات این تصادفی‌سازی منجر به شکنندگی نمی‌شود. در واقع کاربید سیلیسیم آمورف، گواهی بر قدرت ناشی از چنین تصادفی است.

استحکام کششی این ماده جدید 10 گیگاپاسکال است. برای درک اینکه این مقدار به چه معناست تصور کنید که سعی می‌کنید یک تکه نوار چسب را بکشید تا پاره شود. حالا اگر می‌خواهید تنش کششی معادل 10 گیگاپاسکال را شبیه‌سازی کنید، باید حدود ده خودروی متوسط را قبل از شکستن از آن نوار آویزان کنید.

محققان برای آزمایش استحکام کششی این ماده روشی نوآورانه را اتخاذ کردند. به جای روش‌های سنتی که ممکن است نادرستی را در نحوه لنگر انداختن مواد ایجاد کند، به فناوری ریزتراشه روی آوردند. آنها با رشد لایه‌های کاربید سیلیسیم آمورف روی یک بستر سیلیسیمی و معلق کردن آنها، از هندسه نانورشته‌ها برای القای نیروهای کششی بالا استفاده کردند. آنها با ساخت بسیاری از این سازه‌ها با افزایش نیروهای کششی، نقطه شکستگی را به دقت مشاهده کردند. این رویکرد مبتنی بر ریزتراشه نه تنها دقت بی‌سابقه‌ای را تضمین می‌کند بلکه راه را برای آزمایش مواد آینده هموار می‌کند.

اما چرا تمرکز روی نانورشته‌ها؟ نانورشته‌ها بلوک‌های ساختمانی بنیادی هستند، همان پایه‌ای که می‌توان از آن برای ساخت سازه‌های معلق پیچیده‌تر استفاده کرد. نشان دادن قدرت تسلیم بالا در نانورینگ به نمایش قدرت در عنصری‌ترین شکل آن ترجمه می‌شود و آنچه در نهایت این ماده را متمایز می‌کند مقیاس‌پذیری آن است. گرافن، یک لایه منفرد از اتم‌های کربن، به دلیل استحکام چشمگیرش شناخته شده است اما تولیدش در مقادیر زیاد چالش برانگیز است. الماس‌ها نیز اگرچه بسیار قوی هستند اما در طبیعت کمیاب‌اند یا سنتز آنها پرهزینه است. از طرف دیگر کاربید سیلیسیم آمورف را می‌توان در مقیاس ویفر تولید کرد و ورقه‌های بزرگی از این ماده فوق‌العاده قوی را ارائه می‌دهد. نورت نتیجه می‌گیرد با ظهور کاربید سیلیسیم آمورف ما در آستانه تحقیقات ریزتراشه‌ای پر از امکانات فناوری هستیم.

منبع