Графен защитит от пуль лучше стали

Выяснилось, что этот недавно открытый учеными материал защищает от пуль лучше стали и кевлара.

Свойства графена продолжают радовать ученых. Уникальная прочность графена может быть востребована при создании защиты различных космических аппаратов от микрометеоритов, а также бронежилетов нового поколения.

Напомним, что графен был открыт сравнительно недавно. Это одноатомный слой углерода, который обладает уникальным набором свойств и характеристик, в честности рекордной теплопроводностью и прочностью. Впервые этот материал был синтезирован в 2004 году физиками российского происхождения Константином Новоселовым и Андреем Геймом, которые на тот момент работали в Великобритании. В 2010 году оба ученых разделили за свое открытие Нобелевскую премию по физике. В 2011 году обоим ученым указом королевы Елизаветы II было присвоено звание рыцарей-бакалавров за заслуги перед наукой, что дает им право прибавлять к своему имени титул «сэр». 

Одноатомный слой углерода, открытый учеными, может творить настоящие чудеса и уже признается многими материалом будущего. Графен прочнее и легче любых известных нам материалов, он в десятки раз лучше проводить электричество, чем предполагали теоретики, а также способен предотвращать процесс коррозии металла. Едва ли не каждый день ученые открывают какие-то новые свойства данного уникального материала, что позволяет расширять диапазон возможного применения графена в будущем, когда будет налажено его полноценное промышленное производство. 

Сегодня графен производится главным образом в научных лабораториях и только в небольших объемах. Основной из существующих на сегодняшний день методов получения графена основан на механическом отшелушиваниии или отщеплении слоев графита от высокоориентированного пиролитического графита. Такой метод позволяет ученым получать наиболее качественные образцы материала, обладающие высокой подвижностью носителей. При этом данный метод не предполагает применения масштабного промышленного производства, так как это ручной труд. Пока что данную методику не удалось значительно улучшить, хотя работы в этом направлении ведутся. По этой причине листы графена все еще остаются очень дорогим материалом и сравнительно небольшим по размерам. 

Команда ученых во главе с Томасом Эдвином из Университета Райса провела исследования и обнаружила, что графен обладает очень высокой, можно сказать исключительной, устойчивостью к микроскопическим высокоскоростным «пулям». По словам американских ученных, графен продемонстрировал отличную способность рассеивать энергию удара. Материал оказался в 10 раз прочнее лучшей не сегодняшний день стали и в 2 раза прочнее кевлара. Результаты исследования ученых были опубликованы в специализированном научном издании Science. 

В ходе проведенного эксперимента ученые из Университета Райса обстреливали многослойные графеновые мембраны толщиной от 10 до 100 нм (это примерно от 30 до 300 слоев графена) с помощью крошечных сфер диоксида кремния. Данные графеновые мембраны были произведены классическим механическим способом: путем снятия хлопьев графена с кусков пиролитического графита. Для того чтобы проверить устойчивость графена на столь крошечных образцах, было решено использовать не стандартное огнестрельное оружие, а специальную технику на базе лазера. Лазерный луч испарял тонкую пленку золота толщиной примерно 50 нм, в итоге происходило взрывообразное расширение газа, которое ускоряло кремневую «пулю» до скорости примерно в 600 м/с. За тем, как мембрана из графена реагирует на такой удар, ученые наблюдали при помощи мощного электронного микроскопа. 

Во время удара графен испытывал коническую деформацию: в стопке листов графена кремниевая сфера формировала воронку. При этом в верхних слоях происходило образование радиальных трещин, которые шли в направлениях, приблизительно соответствующих углам кристаллической решетки данного материала. Анализ результатов продемонстрировал, что в местах попадания «пуль» листы графена попросту вытягивались в конус, распространяя энергию удара вдоль линий кристаллической решетки материала. То есть энергия распространялась по наиболее устойчивым к разрыву направлениям. В случае пробития, вдоль этих линий образовывались трещины, которые расходились по кругу на некоторое расстояние от места попадания «пули». Помимо этого было установлено, что графен направляет часть кинетической энергии обратно в «пулю», благодаря чему листы графена рассеивали энергию удара гораздо эффективнее стали. 

Если говорить на языке цифр, то графен в состоянии поглощать энергию порядка 0,92 МДж/кг, тогда как сталь в сопоставимых условиях обычно поглощает порядка 0,08 МДж/кг. Способность графена эффективно рассеивать энергию ученые объясняют высокой степенью жесткости в сочетании с низкой плотностью материала. Это означает, что энергия может перемещаться по материалу очень быстро, при этом происходит ее эффективное поглощение и рассеивание в пространство. 

То, что графен является самым прочным материалом в мире, превышая по прочностным характеристикам даже алмазы, ученым было известно и раньше. Но вот способность сопротивления подобной брони «пулям» была доказана лишь сейчас в входе проведенного эксперимента. По словам одного из соавторов исследования Эдвина Томаса из Университета Рейса, слои графена в состоянии очень быстро рассеять энергию удара, прежде они разрушаться. Ученые отмечают, что подобный эффект в графене наблюдается только до тех пор, пока скорость выпущенных «пуль» в момент их удара с материалом не достигает скорости звука в материале. При этом внутри легкого графена скорость звуковой волны может достигать 22 км/с, в отличие от всего 332 м/с в воздухе. 

На фото: процесс получения графена

Обнаруженные учеными уникальные защитные свойства графена напоминают те, что можно наблюдать у керамической брони. Керамическая броня в состоянии так же активно поглощать энергию удара за счет разрушения высокопрочной молекулярной решетки. Ученые полагают, что возможная комбинация графена и керамики поможет в будущем создать легкую сверхпрочную броню, которую можно будет использовать при производстве бронежилетов. Такая броня при весе в 1-2 килограмма защищала бы солдата даже от бронебойных винтовочных пуль. По мнению ученых, открытые броневые свойства графена могут пригодиться человечеству в космосе: для защиты спутников и других космических аппаратов, например МКС, зондов, а также перспективных межпланетных кораблей при их перемещениях в опасных «замусоренных» уголках нашей Солнечной системы, к которым можно отнести Пояс Койпера.

Последние открытия ученых позволяют в будущем увеличить возможные варианты практического использования графена, однако они не могут решить проблему сложности процесса его изготовления и его высокой стоимости. Но даже несмотря на это, применение такого дорогостоящего материала и технологий на его основе может быть вполне оправдано, когда речь идет не о выпуске массовой коммерческой продукции (тех же бронежилетов), а об уникальных предметах, к примеру, для той же космической промышленности.