(Phys.org) —Er is geen twijfel dat grafeen sterk is. Maar nieuw onderzoek door Rice University en het Georgia Institute of Technology zou fabrikanten ertoe moeten aanzetten om wat dieper te kijken als ze het wondermateriaal voor toepassingen overwegen.

De atoomdikke koolstoflaag die deze eeuw is ontdekt, wordt niet alleen geprezen om zijn elektrische eigenschappen, maar ook om zijn fysieke sterkte en flexibiliteit. De bindingen tussen koolstofatomen staan ​​bekend als de sterkste in de natuur, dus een perfect vel grafeen zou zo ongeveer alles moeten kunnen weerstaan. Het versterken van composietmaterialen is een van de mogelijke toepassingen van het materiaal.

Maar materiaalwetenschappers weten dat perfectie moeilijk te bereiken is. Onderzoekers Jun Lou van Rice en Ting Zhu van Georgia Tech hebben voor het eerst de breuktaaiheid van imperfect grafeen gemeten en ontdekten dat het enigszins bros was. Hoewel het nog steeds erg handig is, grafeen is eigenlijk maar zo sterk als de zwakste schakel, waarvan ze bepaalden dat het "aanzienlijk lager" was dan de intrinsieke sterkte van grafeen.

"Grafeen heeft uitzonderlijke fysische eigenschappen, maar om het in echte toepassingen te gebruiken, we moeten de bruikbare kracht van grafeen met een groot oppervlak begrijpen, die wordt gecontroleerd door de breuktaaiheid, ' zei Zhu.

De onderzoekers rapporteerden in het tijdschrift Natuurcommunicatie de resultaten van tests waarin ze grafeen fysiek uit elkaar trokken om te zien hoeveel kracht het zou kosten. specifiek, ze wilden zien of grafeen de eeuwenoude Griffith-theorie volgt die de bruikbare sterkte van brosse materialen kwantificeert.

Het doet, zei Lou. "Opmerkelijk, in dit geval, thermodynamische energie regeert nog steeds, " hij zei.

Onvolkomenheden in grafeen verminderen drastisch de sterkte ervan - met een bovengrens van ongeveer 100 gigapascal (GPa) voor perfect grafeen dat eerder werd gemeten door nano-indentatie - volgens fysieke tests bij Rice en moleculaire dynamica-simulaties bij Georgia Tech. Dat is belangrijk voor ingenieurs om te begrijpen als ze nadenken over het gebruik van grafeen voor flexibele elektronica. composietmateriaal en andere toepassingen waarbij spanningen op microscopische gebreken tot falen kunnen leiden.

Het Griffith-criterium, ontwikkeld door een Britse ingenieur tijdens de Eerste Wereldoorlog, beschrijft de relatie tussen de grootte van een scheur in een materiaal en de kracht die nodig is om die scheur te laten groeien. uiteindelijk, AA Griffith hoopte te begrijpen waarom brosse materialen falen.

grafeen, het blijkt, verschilt niet van de glasvezels die Griffith heeft getest.

"Iedereen denkt dat de koolstof-koolstofbinding de sterkste binding in de natuur is, dus het materiaal moet heel goed zijn, " zei Lou. "Maar dat is niet meer waar, als je eenmaal die gebreken hebt. Hoe groter het blad, hoe groter de kans op defecten. Dat is bekend in de keramische gemeenschap."

Een defect kan zo klein zijn als een atoom dat ontbreekt in het hexagonale rooster van grafeen. Maar voor een echte test, de onderzoekers moesten zelf een defect maken - een pre-crack - die ze echt konden zien. "We weten dat er gaatjes en andere defecten in grafeen zullen zijn, " zei hij. "De pre-crack overschaduwt die defecten om de zwakste plek te worden, dus ik weet precies waar de breuk zal plaatsvinden als we eraan trekken.

"De materiaalweerstand tegen de scheurgroei - de breuktaaiheid - is wat we hier meten, en dat is een zeer belangrijke technische eigenschap, " hij zei.

Alleen al het opzetten van het experiment vergde enkele jaren werk om technische problemen te overwinnen, zei Lou. Om het op te hangen aan een kleine vrijdragende veertrap vergelijkbaar met een atoomkrachtmicroscopie (AFM) sonde, een grafeenvel moest schoon en droog zijn zodat het (via van der Waalskracht) aan het podium zou hechten zonder de podiumbeweging die nodig is voor het testen in gevaar te brengen. Eenmaal gemonteerd, de onderzoekers gebruikten een gefocusseerde ionenstraal om een ​​voorscheur van minder dan 10 procent van de breedte in het micron-brede gedeelte van gesuspendeerd grafeen te snijden. Toen trokken ze het grafeen doormidden, het meten van de benodigde kracht.

Terwijl het Rice-team aan het experiment werkte, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.

"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."

The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.

"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."

Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."