Onderzoek van Rice University en de University of California in Berkeley kan de wetenschap en de industrie een nieuwe manier geven om grafeen te manipuleren, het wondermateriaal dat naar verwachting een rol gaat spelen in geavanceerde elektronische, mechanische en thermische toepassingen.

Wanneer grafeen - een koolstoflaag van één atoom dik - scheurt onder stress, het doet dit op een unieke manier die wetenschappers verbaasden die het fenomeen voor het eerst observeerden. In plaats van willekeurig te scheuren zoals een stuk papier zou doen, het zoekt de weg van de minste weerstand en creëert nieuwe randen die het materiaal gewenste eigenschappen geven.

Omdat de randen van grafeen de elektrische eigenschappen bepalen, het vinden van een manier om ze onder controle te houden, zal belangrijk zijn, zei Boris Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde en hoogleraar scheikunde.

Het is zeldzaam dat Yakobsons werk als theoretisch natuurkundige in hetzelfde artikel verschijnt met experimenteel bewijs, maar de recente inzending in Nano-letters getiteld "Ripping Graphene:Preferred Directions" is een opmerkelijke uitzondering, hij zei.

Yakobson en Vasilii Artyukhov, een postdoctoraal onderzoeker bij Rice, nagebootst in computersimulaties het soort scheuren waargenomen door een elektronenmicroscoop door onderzoekers van Berkeley.

Het Californische team merkte op dat scheuren in grafeenvlokken volgden op fauteuil- of zigzagconfiguraties, termen die verwijzen naar de vorm van de gemaakte randen. Het leek erop dat moleculaire krachten dicteerden hoe grafeen omgaat met stress.

Die krachten zijn robuust. Koolstof-koolstofbindingen zijn de sterkste die de mens kent. Maar het belang van dit onderzoek, Yakobson zei, ligt in de aard van de rand die het gevolg is van de scheur. De rand van een vel grafeen geeft het bepaalde eigenschappen, vooral in de manier waarop het omgaat met elektrische stroom. Grafeen is zo geleidend dat stroom er ongehinderd doorheen stroomt - tot aan de rand. Wat de stroom daar vindt maakt een groot verschil, hij zei, in of het stopt in zijn sporen of naar een elektrode of een ander vel grafeen stroomt.

"Edge energy" in grafeen en koolstofnanobuisjes is al lang interessant voor Yakobson, die vorig jaar een paper uitgaf met een formule om de energie te definiëren van een stuk grafeen dat onder een willekeurige hoek is gesneden. In moleculaire koolstof, fauteuil en zigzagranden zijn het meest wenselijk omdat atomen langs de rand op regelmatige afstanden van elkaar zijn geplaatst en hun elektrische eigenschappen bekend zijn:zigzaggrafeen is metaalachtig, en fauteuil grafeen is halfgeleidend. Uitzoeken hoe grafeen te scheuren voor nanolinten met randen die allemaal van het ene type of het andere zijn, zou een doorbraak zijn voor fabrikanten.

Yakobson en zijn team hebben vastgesteld dat grafeen het meest energie-efficiënte pad zoekt. Het Berkeley-team merkte op dat meerdere scheuren in een grafeenvlok strikt langs lijnen stroomden die op (of op veelvouden van) 30 graden van elkaar verwijderd waren.

"Grafeen scheurt het liefst door zo min mogelijk energie te verbruiken, " zei Yakobson. Hij merkte de 30-graden scheiding op tussen de hoeken die zigzag en fauteuil onderscheiden in een hexagonaal grafeenrooster.

Om het te bewijzen, Artyukhov besteedde twee maanden aan het bouwen van moleculaire simulaties die op verschillende manieren virtuele stukjes grafeen uit elkaar trokken. Afhankelijk van de uitgeoefende kracht, een vlok zou langs een rechte lijn scheuren of in twee richtingen vorken. Maar de geproduceerde randen zouden altijd langs lijnen van 30 graden zijn en zouden zigzag of fauteuil zijn.

"In principe, de richting van de scheur in de klassieke breuktheorie wordt bepaald door het pad dat het zou kunnen nemen met de minimale energiekosten, " zei Artyukhov. "Mijn simulaties toonden aan dat onder bepaalde omstandigheden, dit zou het geval kunnen zijn met grafeen. Het bood een redelijk redelijke en duidelijke en solide verklaring voor dit ongewone experimentele ding."

Artyukhov ontdekte dat te hard trekken aan virtueel grafeen het zou vernietigen. "Onze belangrijkste inspanning was om het subtiel genoeg aan te trekken zodat het tijd heeft om de richting te kiezen die het verkiest, in plaats van een volledige mislukking te hebben." Hij merkte op dat de simulaties veel sneller waren dan scheuren die in echte omstandigheden zouden gebeuren.

Ook verrassend was de ontdekking dat scheurtjes in grafeen over korrelgrenzen dezelfde regels volgen. Tranen volgen de grens niet, die energetisch ongunstige randen zouden creëren, maar ga door en schakel over naar de meest gunstige richting in het nieuwe graan.

"De Berkeley-mensen deden geen beheersbare tranen, maar hun werk opent technologische mogelijkheden voor de toekomst, " zei Yakobson. "Voor elektronica, je wilt linten die in een bepaalde richting gaan, en dit onderzoek suggereert dat dit mogelijk is. Het zou een groot probleem zijn.

"Denk aan grafeen als een vel postzegels:je brengt een belasting aan, en je kunt het vel in een goed gedefinieerde richting scheuren. Dat is eigenlijk wat dit experiment onthult voor grafeen, "zei hij. "Er zijn onzichtbare aanwijzingen voor je klaar."