Ученые создали зеркальные графитовые пленки с рекордной прочностью и проводимостью

(a) Схема предлагаемого пути реакции. (b) Схема экспериментальной установки. (c) АФМ-изображение поверхности и СЭМ-изображение зеркальной графитовой пленки. Автор: Institute for Basic Science

Графит привлекает глобальный интерес благодаря своим уникальным анизотропным свойствам, включая превосходную электрическую и теплопроводность. Широко используемый в качестве анодного материала для батарей, а также в электромагнитном экранировании, катализе и ядерных технологиях, графит остается критически важным материалом как в промышленности, так и в научных исследованиях.

Десятилетиями ученые пытались создать высококачественный искусственный графит с крупными зернами и гладкой слоистой структурой. Традиционные методы обычно включают высокотемпературную обработку полимерных пленок под механическим напряжением. Однако полученные материалы часто страдают от ограниченного размера зерен, низкой плотности и неровностей поверхности, а их объемные механические свойства редко оцениваются.

Другой известный синтетический вариант — высокоориентированный пиролитический графит (HOPG) — предлагает улучшенную кристалличность, но все же имеет относительно небольшие размеры доменов.

Более того, такие материалы склонны к образованию складок и искажений при охлаждении, а их свойства обычно изучаются на микроуровне — с использованием отслоенных чешуек, а не целых графитовых пленок. Таким образом, ученые долго не могли вырастить крупные плоские графитовые кристаллы без складок — это было препятствием для раскрытия полного потенциала графита в высокотехнологичных приложениях.

Под руководством директора Родни С. Руоффа из Института фундаментальных наук (IBS) исследователи разработали революционный метод создания зеркальных графитовых пленок с зернами размером в миллиметр — примерно в 10 000 раз крупнее, чем в обычном синтетическом графите. Работа была опубликована в журнале Nature Communications.

(a) Фотографии сантиметровых зеркальных графитовых пленок, осажденных на поверхности расплава Ni-Mo. (b) ТЭМ-изображения поверхности зеркальной графитовой пленки с соответствующим дифракционным рисунком и ТЭМ-изображения поперечного сечения пленки. Автор: Institute for Basic Science

Ключом к этому достижению стала умная стратегия «пористой подложки»: выборочно испаряя никель из расплава сплава Ni-Mo после роста графита, команда создала губчатую подложку, которая значительно ослабляет взаимодействие между графитом и металлической поверхностью. Это эффективно устраняет межфазное напряжение при охлаждении, предотвращая образование складок или изгибов в пленке.

«Пористая подложка действует как подушка, поглощая напряжение вместо того, чтобы сминать графит», — объяснил соавтор исследования, старший научный сотрудник Сон Вон Кён.

«Чтобы найти оптимальную комбинацию для синтеза зеркального графита с гладкой поверхностью без складок и зернами миллиметрового размера, мы экспериментировали с различными металлами», — сказал первый автор, старший исследователь Лиюань Чжан.

Среди них были металлы с высокой растворимостью углерода, такие как железо, никель и кобальт, а также тугоплавкие металлы, включая палладий, молибден, ванадий и вольфрам. Наилучшие условия обеспечила комбинация никеля и молибдена (Ni-Mo).

Процесс также позволяет достичь сверхбыстрого роста — до 6,2 слоев в секунду, что более чем в 20 раз быстрее традиционных методов, что делает его пригодным для крупномасштабного производства.

«Кроме того, предварительно формируя металлические фольги, используемые для создания расплава сплава, исследователи могут придавать графитовым пленкам сложные формы, например, образцы в виде "косточки" для механических испытаний», — пояснил соавтор Йонгцян Мэн. — «Такой уровень контроля открывает двери для изготовления индивидуальных устройств и практического применения».

Как отмечает первый соавтор, доктор Мэйхуэй Ван, полученные графитовые пленки устанавливают новые рекорды производительности. Механические испытания показали модуль Юнга 969 ГПа и предел прочности при растяжении 1,29 ГПа, приближаясь к теоретическим пределам монокристаллического графита и превосходя все ранее зарегистрированные макромасштабные синтетические графиты.

Пленки также продемонстрировали исключительную плоскостную теплопроводность — 2034 Вт/м·К (превышая медь) и электрическую проводимость до 22 500 См/см. Ожидается, что это исследование окажет значительное влияние на различные промышленные области, позволив крупномасштабное и кастомизированное производство высококачественных графитовых пленок.

Это исследование переопределяет пределы синтетического графита, достигая размеров зерен в миллиметровом масштабе — значительно больше, чем у высокоориентированного пиролитического графита (HOPG) и сопоставимо с редкими природными графитовыми кристаллами. Однако, в отличие от природных материалов, созданные пленки предлагают точно контролируемую форму, толщину и чистоту, что означает значительный скачок в дизайне материалов и их производительности.

Потенциальные применения широки: бездефектные высокочистые графитовые пленки могут революционизировать тепловой менеджмент в мощной электронике (например, ИИ-чипах), служить сверхпрочными и проводящими компонентами в МЭМС и датчиках, а также использоваться в качестве антифрикционных покрытий или продвинутых анодов для батарей. В перспективе команда работает над масштабированием производства до пленок размером в метр.

«Мы уверены, что наше фундаментальное исследование высококачественного графита послужит основой для углубленных исследований другими научными группами по всему миру, и мы видим в нем краеугольный камень для прикладных исследований с использованием графита», — говорит директор Руофф.

Больше информации: Synthesis and Properties of Mirror-Like Large-Grain Graphite Films, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62227-6. www.nature.com/articles/s41467-025-62227-6

Источник: Institute for Basic Science