强度是凯夫拉的10倍：非晶碳化硅可能带来材料科学的革命

科学家们开发出了非晶碳化硅，这是一种强度高、可扩展的材料，可用于微芯片传感器、太阳能电池和太空探索。这一突破有望推动材料科学和微芯片技术取得重大进展。非晶碳化硅纳米环拉伸强度测试图。这种材料的强度不仅可与钻石和石墨烯媲美，其屈服强度更是因用于防弹背心而闻名于世的凯夫拉（Kevlar）材料的 10 倍。

几十年来，人们利用薄膜材料在高拉伸负荷下实现了高灵敏度机械谐振器。尽管在利用高拉伸应力实现低耗散机械传感器方面取得了长足进步，但即使是最好的策略，其性能也受到谐振器材料拉伸断裂强度的限制。

代尔夫特理工大学的研究人员在助理教授理查德-诺特（Richard Norte）的领导下，推出了一种有望影响材料科学世界的非凡新材料：非晶碳化硅（a-SiC）。

这种材料不仅具有超强的强度，还具有对微晶片隔振至关重要的机械性能。因此，非晶碳化硅特别适合制造超灵敏微型芯片传感器。

潜在的应用范围非常广泛。从超灵敏微芯片传感器和先进的太阳能电池到先驱性太空探索和 DNA 测序技术。这种材料的强度优势与可扩展性相结合，使其前景异常广阔。

诺特解释说："为了更好地理解"非晶态"这一关键特性，可以把大多数材料想象成由原子以规则的模式排列而成，就像一座错综复杂的乐高塔。这些材料被称为"晶体"材料，例如钻石。它的碳原子完全排列整齐，因而具有著名的硬度。然而，无定形材料就像随意堆砌的乐高积木，原子排列不一致。但与预期相反的是，这种随机性并不会导致脆弱。事实上，非晶碳化硅就证明了这种随机性所产生的强度。"

这种新材料的拉伸强度达到 10 千兆帕（GPa）。"要理解这意味着什么，想象一下试图拉伸一条胶带直到它断裂。"诺特说："现在，如果你想模拟相当于 10 GPa 的拉伸应力，你需要在胶带断裂前将大约 10 辆中型汽车端对端地挂在胶带上。"

纳米弹簧

研究人员采用了一种创新方法来测试这种材料的拉伸强度。传统的方法可能会因材料的固定方式而产生误差，而他们采用了微芯片技术。通过在硅基底上生长非晶碳化硅薄膜并将其悬挂起来，他们利用纳米环的几何形状诱发了高拉伸力。通过制造许多这样的结构并不断增加拉力，他们细致地观察了断裂点。这种基于微芯片的方法不仅确保了前所未有的精度，还为未来的材料测试铺平了道路。

为什么我们需要关注纳米环？纳米环是最基本的构件，是构建更复杂悬浮结构的基础。在纳米环中展示高屈服强度，就是展示最基本形式的强度。

从微观到宏观

使这种材料与众不同的是它的可扩展性。由单层碳原子组成的石墨烯以其惊人的强度而闻名，但要大量生产却很困难。钻石虽然坚固无比，但在自然界中十分罕见，而且合成成本高昂。另一方面，非晶碳化硅可以在晶圆规模上生产，提供这种坚固无比的大块材料。

诺特总结说："随着非晶碳化硅的出现，我们正站在充满技术可能性的微芯片研究的门槛上。"

这种坚固的薄膜材料在纳米机械传感器、太阳能电池、生物应用、太空探索以及其他需要在动态环境中保持强度和稳定性的领域有着巨大的应用潜力。这项研究的发现为非晶薄膜材料在高性能应用领域的应用开辟了新的可能性。

编译来源：ScitechDaily