Op de website van de Nobelprijs is een kat te zien die rust in een grafeenhangmat. Hoewel fictief, het beeld vangt de opwinding rond grafeen, die, een atoom dik, is een van de dunste en sterkste materialen die ooit zijn geproduceerd.

Een belangrijk obstakel voor het realiseren van het potentieel van grafeen ligt in het creëren van een oppervlak dat groot genoeg is om een ​​theoretische slapende kat te ondersteunen. Voor nu, materiaalwetenschappers naaien afzonderlijke grafeenplaten aan elkaar om platen te maken die groot genoeg zijn om mogelijke toepassingen te onderzoeken. Net zoals het aan elkaar naaien van lapjes stof zwakke plekken kan veroorzaken waar individuele lapjes samenkomen, defecten kunnen de "korrelgrenzen" verzwakken waar grafeenplaten aan elkaar worden genaaid - tenminste dat dachten ingenieurs.

Nutsvoorzieningen, ingenieurs van Brown University en de University of Texas-Austin hebben ontdekt dat de korrelgrenzen de sterkte van het materiaal niet in gevaar brengen. De korrelgrenzen zijn zo sterk, in feite, dat de platen bijna net zo sterk zijn als puur grafeen. De truc, ze schrijven in een paper gepubliceerd in Wetenschap , ligt in de hoeken waaronder de afzonderlijke vellen aan elkaar worden genaaid.

"Als je meer gebreken hebt, je verwacht dat de kracht wordt aangetast, " zei Vivek Shenoy, professor in de techniek en de corresponderende auteur van het artikel, "maar hier is het net het tegenovergestelde."

De bevinding kan de ontwikkeling van grotere grafeenplaten voor gebruik in elektronica stimuleren, optica en andere industrieën.

Grafeen is een tweedimensionaal oppervlak dat is samengesteld uit sterk gebonden koolstofatomen in een bijna foutloze volgorde. De basiseenheid van dit roosterpatroon bestaat uit zes chemisch met elkaar verbonden koolstofatomen. Wanneer een grafeenblad wordt samengevoegd met een ander grafeenblad, sommige van die zes-koolstofzeshoeken worden zeven-koolstofbindingen - zevenhoeken. De plekken waar zevenhoeken voorkomen, worden 'kritieke bindingen' genoemd.

De kritische banden, gelegen langs de korrelgrenzen, was beschouwd als de zwakke schakels in het materiaal. Maar toen Shenoy en Rassin Grantab, een vijfdejaarsstudent, geanalyseerd hoeveel kracht verloren gaat aan de korrelgrenzen, ze hebben iets anders geleerd.

"Het blijkt dat deze korrelgrenzen kunnen, in sommige gevallen, zo sterk zijn als puur grafeen, ' zei Shenoy.

De ingenieurs gingen toen op zoek naar waarom. Met behulp van atomistische berekeningen, ze ontdekten dat het kantelen van de hoek waaronder de platen elkaar ontmoeten - de korrelgrenzen - de algehele sterkte van het materiaal beïnvloedde. De optimale oriëntatie die de sterkste platen oplevert, zij rapporteren, is 28,7 graden voor lakens met een fauteuilpatroon en 21,7 graden voor lakens met een zigzag-indeling. Dit worden groothoekkorrelgrenzen genoemd.

Groothoekkorrelgrenzen zijn sterker omdat de bindingen in de zevenhoeken qua lengte dichter bij de bindingen zijn die van nature in grafeen worden aangetroffen. Dat betekent in groothoekkorrelgrenzen, de bindingen in de zevenhoeken zijn minder gespannen, wat helpt verklaren waarom het materiaal ondanks de gebreken bijna net zo sterk is als puur grafeen, zei Shenoy.

"Het is de manier waarop de gebreken zijn geregeld, "Zei Shenoy. "De korrelgrens kan de zevenhoeken beter opvangen. Ze zijn meer ontspannen."