In 2008, experimenten aan de Fu Foundation School of Engineering and Applied Science aan de Columbia University hebben zuiver grafeen vastgesteld, een enkele laag grafiet van slechts één atoom dik, als het sterkste materiaal dat de mensheid kent. Dit riep een vraag op voor Chris Marianetti, Universitair docent bij Columbia Engineering's Department of Applied Physics and Applied Mathematics:hoe en waarom breekt grafeen?

Met behulp van kwantumtheorie en supercomputers, Marianetti heeft de mechanismen van mechanisch falen van puur grafeen onder trekspanning onthuld. In een paper dat onlangs is geaccepteerd voor publicatie in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , hij laat zien dat wanneer grafeen in alle richtingen gelijk wordt belast, het verandert in een nieuwe structuur die mechanisch onstabiel is.

Marianetti zegt dat dit faalmechanisme een nieuwe soft-mode fononinstabiliteit is. Een fonon is een collectieve trillingsmodus van atomen in een kristal, vergelijkbaar met een golf in een vloeistof. Het feit dat een fonon "zacht" wordt onder trekbelasting, betekent dat het systeem zijn energie kan verlagen door de atomen langs de trillingsmodus te vervormen en over te gaan naar een nieuwe kristallijne rangschikking. Onder voldoende spanning, grafeen ontwikkelt een bepaalde zachte modus die ervoor zorgt dat de honingraatrangschikking van koolstofatomen naar geïsoleerde hexagonale ringen wordt gedreven. Dit nieuwe kristal is structureel zwakker, resulterend in het mechanisch falen van de grafeenplaat.

"Dit is spannend op veel verschillende niveaus, Marianetti merkt op. "Zachte modi werden voor het eerst erkend in de jaren zestig in de context van ferro-elektrische faseovergangen, maar ze zijn nooit rechtstreeks in verband gebracht met fracturen. Typisch, defecten in een materiaal zullen altijd voortijdig falen veroorzaken, maar de ongerepte aard van grafeen stelt ons in staat om onze voorspelling te testen. We hebben al enkele interessante nieuwe experimenten geschetst om onze theoretische voorspelling van de zachte modus direct te observeren."

Marianetti voegde eraan toe dat dit de eerste keer is dat een zachte optische fonon ooit is gekoppeld aan mechanisch falen en dat het daarom waarschijnlijk is dat dit nieuwe faalmechanisme niet exclusief is voor grafeen, maar mogelijk voorkomt in andere zeer dunne materialen. "Nu nanotechnologie steeds alomtegenwoordig wordt, het begrijpen van de aard van mechanisch gedrag in laagdimensionale systemen zoals grafeen is van groot belang. We denken dat spanning een middel kan zijn om de eigenschappen van grafeen te ontwikkelen, en daarom is het van cruciaal belang om de grenzen ervan te begrijpen." Het onderzoek werd gefinancierd door de National Science Foundation.

Marianetti's onderzoeksinteresses liggen bij het gebruik van klassieke en kwantummechanica om het gedrag van materialen op atomaire schaal te modelleren. Vooral, hij is gericht op het toepassen van deze technieken op materialen met potentieel voor energieopslag en -conversie. Huidige toepassingen in zijn onderzoeksprogramma variëren van nucleaire materialen zoals plutonium tot materialen voor oplaadbare batterijen zoals kobaltoxiden.