Fyzikální paradox rozluštěn: Proč jsou ultratenké materiály pevnější, když jsou tenčí?

Fyzika nám často ukazuje jevy, které se zdají být zcela proti intuici. Příkladem jsou ultratenké materiály. Většina lidí by očekávala, že když se list materiálu ztenčuje, stane se slabším, protože zbývá méně materiálu, který by nesl zátěž.

Fyzika nám často ukazuje jevy, které se zdají být zcela proti intuici. Příkladem jsou ultratenké materiály. Většina lidí by očekávala, že když se list materiálu ztenčuje, stane se slabším, protože zbývá méně materiálu, který by nesl zátěž. Experimenty a simulace však v posledním desetiletí opakovaně prokázaly něco překvapivého: když se některé materiály stanou extrémně tenkými – jen několik nanometrů nebo dokonce několik atomových vrstev – mohou se pod extrémním mechanickým zatížením stát výrazně odolnějšími.

Tento jev byl pozorován u systémů tak odlišných, jako je grafen, oxid grafenu a ultratenké polymerní filmy. Efekt byl jasný, ale důvod za ním zůstával nejasný. Proč by materiály s naprosto odlišnou chemií a strukturou měly vykazovat podobný trend? Tato otázka motivovala nedávnou studii publikovanou v časopise PNAS. Vědci k problému přistoupili z fundamentálnější perspektivy, místo aby se zaměřovali na chemické detaily jednotlivých materiálů, a hledali univerzální mechanický princip, který by tyto systémy sdílely.

Odpověď se ukázala být kladná a klíč spočívá v konceptu známém jako neafinní elasticita. V reálných materiálech atomy a molekuly nesledují vnější deformaci dokonale uspořádaným způsobem. Podstupují také další kolektivní pohyby, které pomáhají materiálu uvolnit vnitřní síly a napětí, což ho obecně změkčuje. Podobně jako dav lidí, který se snaží udělat místo v přeplněné vlakové stanici – pokud se každý může volně pohybovat, tlak se uvolní mnoha různými přesuny. Pokud je však pohyb prostorově omezen, dav se stane efektivně tužším a méně schopným se přizpůsobit.

Něco podobného se děje v ultratenkých materiálech. Když je materiál omezen na extrémně malou tloušťku, mnoho kolektivních deformačních režimů s dlouhou vlnovou délkou jednoduše nemůže existovat. Materiál ztrácí některé cesty, které mu normálně umožňují deformovat se. V důsledku toho se stává mechanicky tužším. Překvapivé je, že tento efekt se řídí pozoruhodně jednoduchým matematickým zákonem odvozeným z mikroskopických atomových pohybů a dynamiky. Analýza ukazuje, že nárůst tuhosti způsobený omezením se škáluje s inverzní třetí mocninou tloušťky. Prakticky to znamená, že snížení tloušťky dvakrát zvýší příspěvek k tuhosti zhruba osmkrát.

Ještě pozoruhodnější je, že stejný škálovací zákon popisuje data z grafenu, oxidu grafenu a polymerních tenkých filmů, navzdory jejich obrovským rozdílům ve složení a struktuře. To naznačuje, že jev není primárně o chemii, ale spíše vyplývá z univerzálního aspektu samotné elasticity. Tento objev transformuje sbírku zdánlivě nesouvisejících pozorování do jediného fyzikálního obrazu.