Sinds zijn ontdekking, grafeen heeft de aandacht getrokken van wetenschappers en ingenieurs vanwege de vele buitengewone eigenschappen. Maar grafeenoxide - een geoxideerd derivaat van grafeen - wordt grotendeels gezien als het inferieure neefje van grafeen.

"Grafeen is zo perfect, " zei Jiaxing Huang van Northwestern Engineering. "En grafeenoxide is meer defect, dus het is als de zwakkere, minder spannende versie van grafeen."

Nu heeft een team van de Northwestern University ontdekt dat de schijnbaar ongewenste defecten van grafeenoxide verrassend genoeg aanleiding geven tot opwindende mechanische eigenschappen. Onder leiding van Horacio Espinosa, de James N. en Nancy J. Farley Professor in Manufacturing and Entrepreneurship aan de McCormick School of Engineering van Northwestern, de onderzoekers gebruikten een unieke experimentele en modelleringsaanpak om de eerste te worden die de mechanica van dit voorheen genegeerde materiaal op atomair niveau onderzocht. Wat ze ontdekten, zou mogelijk het geheim kunnen ontrafelen om grafeenoxide met succes op te schalen, een gebied dat beperkt is omdat de bouwstenen ervan niet goed zijn begrepen.

"Ons team ontdekte dat grafeenoxide opmerkelijke plastische vervorming vertoont voordat het breekt, " zei Espinosa. "Grafeen is erg sterk, maar het kan plotseling breken. We vonden dat grafeenoxide, echter, zal eerst vervormen voordat het uiteindelijk breekt."

Huang vergelijkt het verschil in materiaaleigenschappen met gewone objecten. "Keramiek is sterk, " hij zegt, "maar als je het breekt, het zal versplinteren. Als er nu in een plastic beker wordt geperst, het zal buigen voordat het breekt."

Ondersteund door het Army Research Office en het Designing Materials van de National Science Foundation om onze toekomst te revolutioneren en te ontwikkelen, het onderzoek wordt beschreven in het nummer van 20 augustus van Natuurcommunicatie . Naast Espinosa, Jiaxing Huang van Northwestern Engineering, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, en SonBinh T. Nguyen, hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences, zijn co-hoofdonderzoekers van het project. Postdoctoraal onderzoeker Xiaoding Wei en afgestudeerde studenten Rafael A. Soler-Crespo en Lily Mao zijn co-eerste auteurs van het artikel.

Het team ontdekte dat de plasticiteit van grafeenoxide te wijten is aan een ongebruikelijke mechanochemische reactie. Grafeenoxide bestaat uit twee koolstofatomen en één zuurstofatoom, een formatie die bekend staat als een epoxide. Dit kan worden voorgesteld als een driehoek met twee koolstofatomen aan de basis en een zuurstofatoom aan de bovenkant. Wanneer de bindingen van een epoxide chemisch worden verbroken, de koolstof-zuurstofbindingen breken, de koolstof-koolstofbinding intact laten. Het onderzoeksteam, echter, ontdekte dat wanneer een mechanische kracht werd uitgeoefend op grafeenoxide, de koolstof-koolstof binding brak als eerste, de koolstof-zuurstofbindingen op hun plaats laten.

"We hebben deze verrassing op atomaire schaal ontdekt, " zei Nguyen. "Dit is totaal anders dan wat er in andere materialen gebeurt en een zeer ongebruikelijke eigenschap voor de grafeenoxideplaat."

Weten hoe grafeenoxide op atomaire schaal functioneert, zou onderzoekers in staat kunnen stellen de eigenschappen van het materiaal af te stemmen. Het Northwestern-team breidt zijn onderzoek nu uit naar het begrijpen van de mechanische eigenschappen van grafeenoxide-polymeerinterfaces, wat essentieel is voor het opschalen van het materiaal.

"Onze studies impliceren dat de antwoorden op het opschalen van grafeenoxide kunnen liggen, gedeeltelijk, tot de chemie op atomair niveau, Espinosa zei. "Met meer informatie verkregen op verschillende lengteschalen en vooruitgang in synthesemethoden, we zullen uiteindelijk de puzzel samen leggen."