Grafeen, een laagje koolstofatomen van één atoom dik, is het sterkste materiaal dat we kennen, maar ook een van de meest brosse. Wanneer het scheurt, scheurt het in specifieke richtingen, wat gevolgen heeft voor het gebruik ervan in de elektronica en andere toepassingen.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, aangetoond dat deze scheuren specifieke regels volgen, en dat het materiaal hoogstwaarschijnlijk scheurt langs lijnen die een hoek van 30 graden maken met het kristalrooster. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications, kunnen ingenieurs helpen bij het ontwerpen van op grafeen gebaseerde materialen die beter bestand zijn tegen scheuren.

"We ontdekten dat er bepaalde richtingen in grafeen zijn die waarschijnlijker scheuren dan andere", zegt hoofdauteur Junhao Lin, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Materials Science and Engineering aan UC Berkeley. "Dit komt omdat de koolstofatomen in grafeen in een hexagonaal rooster zijn gerangschikt en de bindingen tussen deze atomen in sommige richtingen sterker zijn dan in andere."

De onderzoekers gebruikten een combinatie van atomistische simulaties en theoretische berekeningen om de meest waarschijnlijke richtingen te bepalen waarin grafeen zou scheuren. Ze ontdekten dat de kans het grootst is dat het materiaal scheurt langs lijnen die evenwijdig lopen aan de randen van het zeshoekige rooster, en dat de scheuren waarschijnlijker optreden bij de hoeken van de zeshoeken.

"Dit is belangrijk omdat het betekent dat we op grafeen gebaseerde materialen kunnen ontwerpen die beter bestand zijn tegen scheuren door deze richtingen te vermijden", zegt senior auteur Robert Ritchie, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan UC Berkeley. "We zouden bijvoorbeeld grafeenplaten kunnen gebruiken die zo zijn georiënteerd dat de randen van de zeshoeken evenwijdig zijn aan de uitgeoefende kracht, of we kunnen grafeenplaten gebruiken die zijn versterkt met andere materialen om te voorkomen dat ze scheuren."

De bevindingen kunnen ook implicaties hebben voor het gebruik van grafeen in elektronica. Grafeen is een veelbelovend materiaal voor gebruik in elektronische apparaten van de volgende generatie, maar het is belangrijk ervoor te zorgen dat het materiaal sterk genoeg is om de ontberingen van het gebruik te weerstaan. Door de mechanismen van het scheuren van grafeen te begrijpen, kunnen ingenieurs op grafeen gebaseerde apparaten ontwerpen die duurzamer en betrouwbaarder zijn.

Dit onderzoek werd ondersteund door de National Science Foundation en het Department of Energy.