In een nieuwe studie, gepubliceerd in Wetenschap 31 mei 2013, Onderzoekers van Columbia Engineering tonen aan dat grafeen, zelfs als ze aan elkaar zijn genaaid uit vele kleine kristallijne korrels, is bijna net zo sterk als grafeen in zijn perfecte kristallijne vorm. Dit werk lost een tegenstrijdigheid op tussen theoretische simulaties, die voorspelde dat korrelgrenzen sterk kunnen zijn, en eerdere experimenten, wat aangaf dat ze veel zwakker waren dan het perfecte rooster.

Grafeen bestaat uit een enkele atomaire laag koolstof, gerangschikt in een honingraatrooster. "Onze eerste Wetenschap papier, in 2008, bestudeerde de sterkte die grafeen kan bereiken als het geen gebreken heeft - de intrinsieke sterkte, " zegt James Hone, hoogleraar werktuigbouwkunde, die de studie leidde met Jeffrey Kysar, hoogleraar werktuigbouwkunde. "Maar zonder gebreken, ongerept grafeen bestaat alleen in zeer kleine gebieden. Platen met een groot oppervlak die nodig zijn voor toepassingen, moeten veel kleine korrels bevatten die aan de korrelgrenzen zijn verbonden, en het was onduidelijk hoe sterk die korrelgrenzen waren. Dit, onze tweede Wetenschap papier, rapporten over de sterkte van grafeenfilms met een groot oppervlak die zijn gekweekt met behulp van chemische dampafzetting (CVD), en we zijn verheugd te kunnen zeggen dat grafeen terug is en sterker dan ooit."

De studie verifieert dat veelgebruikte methoden voor nabewerking van door CVD gegroeid grafeen de korrelgrenzen verzwakken, resulterend in de extreem lage sterkte die in eerdere onderzoeken werd gezien. Het Columbia Engineering-team ontwikkelde een nieuw proces dat schade aan grafeen tijdens de overdracht voorkomt. "We hebben een ander etsmiddel vervangen en waren in staat om testmonsters te maken zonder het grafeen te beschadigen, " merkt de hoofdauteur van de krant op, Gwan-Hyoung Lee, een postdoctoraal onderzoeker in het Hone-lab. "Onze bevindingen corrigeren duidelijk de verkeerde consensus dat de korrelgrenzen van grafeen zwak zijn. Dit is geweldig nieuws omdat grafeen zo'n overvloed aan mogelijkheden biedt voor zowel fundamenteel wetenschappelijk onderzoek als industriële toepassingen."

In zijn perfecte kristallijne vorm, grafeen (een koolstoflaag van één atoom dik) is het sterkste materiaal dat ooit is gemeten, zoals het Columbia Engineering-team meldde in Wetenschap in 2008 - zo sterk dat, zoals Hone opmerkte, "er zou een olifant voor nodig zijn, balanceren op een potlood, om door een vel grafeen te breken met de dikte van Saran Wrap." Voor de eerste studie, het team behaalde kleine, structureel perfecte vlokken grafeen door mechanische exfoliatie, of mechanisch pellen, uit een kristal van grafiet. Maar exfoliatie is een tijdrovend proces dat nooit praktisch zal zijn voor een van de vele potentiële toepassingen van grafeen waarvoor industriële massaproductie vereist is.

Momenteel, wetenschappers kunnen vellen grafeen zo groot als een televisiescherm laten groeien met behulp van chemische dampafzetting (CVD), waarin enkele lagen grafeen worden gekweekt op kopersubstraten in een hoge-temperatuuroven. Een van de eerste toepassingen van grafeen kan zijn als geleidende laag in flexibele displays.

"Maar CVD-grafeen is aan elkaar 'genaaid' uit vele kleine kristallijne korrels - als een quilt - op korrelgrenzen die defecten in de atomaire structuur bevatten, " legt Kysar uit. "Deze korrelgrenzen kunnen de sterkte van grafeen met een groot oppervlak ernstig beperken als ze veel gemakkelijker breken dan het perfecte kristalrooster, en dus is er intense belangstelling geweest om te begrijpen hoe sterk ze kunnen zijn."

Het Columbia Engineering-team wilde ontdekken wat CVD-grafeen zo zwak maakte. Bij het bestuderen van de verwerkingstechnieken die worden gebruikt om hun monsters te maken voor het testen, ze ontdekten dat de chemische stof die het meest wordt gebruikt om het kopersubstraat te verwijderen, ook schade aan het grafeen veroorzaakt, zijn kracht ernstig aantast.

Hun experimenten toonden aan dat CVD-grafeen met grote korrels precies zo sterk is als geëxfolieerd grafeen, waaruit blijkt dat het kristalrooster net zo perfect is. En, meer verrassend, hun experimenten toonden ook aan dat CVD-grafeen met kleine korrels, zelfs wanneer getest precies op een korrelgrens, is ongeveer 90% zo sterk als het ideale kristal.

"Dit is een opwindend resultaat voor de toekomst van grafeen, omdat het experimenteel bewijs levert dat de uitzonderlijke kracht die het op atomaire schaal bezit, kan aanhouden tot monsters in inches of meer, ", zegt Hone. "Deze kracht zal van onschatbare waarde zijn als wetenschappers nieuwe flexibele elektronica en ultrasterke composietmaterialen blijven ontwikkelen."

Sterk, grafeen met een groot oppervlak kan worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals flexibele elektronica en versterkende componenten, mogelijk een televisiescherm dat oprolt als een poster of ultrasterke composieten die koolstofvezel zouden kunnen vervangen. Of, de onderzoekers speculeren, een sciencefiction-idee van een ruimtelift die een in een baan om de aarde draaiende satelliet met de aarde zou kunnen verbinden door middel van een lang snoer dat zou kunnen bestaan ​​uit vellen CVD-grafeen, sinds grafeen (en zijn neefmateriaal, koolstof nanobuisjes) is het enige materiaal met de hoge sterkte-gewichtsverhouding die nodig is voor dit soort hypothetische toepassingen.

Het team is ook enthousiast over het bestuderen van 2D-materialen zoals grafeen. "Er is heel weinig bekend over de effecten van korrelgrenzen in 2D-materialen, Kysar vult aan. "Ons werk toont aan dat korrelgrenzen in 2D-materialen veel gevoeliger kunnen zijn voor verwerking dan in 3D-materialen. Dit komt doordat alle atomen in grafeen oppervlakte-atomen zijn, dus oppervlakteschade die normaal gesproken de sterkte van 3D-materialen niet zou verminderen, kan de sterkte van 2D-materialen volledig vernietigen. Maar met de juiste verwerking die oppervlaktebeschadiging vermijdt, korrelgrenzen in 2D-materialen, vooral grafeen, kan bijna net zo sterk zijn als de perfecte, foutloze structuur."