grafeen, een materiaal bestaande uit een enkele laag koolstofatomen, is aangeprezen als het sterkste materiaal waarvan bekend is dat het bestaat, 200 keer sterker dan staal, lichter dan papier, en met buitengewone mechanische en elektrische eigenschappen. Maar kan het zijn belofte waarmaken?

Wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy hebben de eerste bekende statistische theorie ontwikkeld voor de taaiheid van polykristallijn grafeen, die is gemaakt met chemische dampafzetting, en ontdekte dat het inderdaad sterk is (hoewel niet zo sterk als ongerept monokristallijn grafeen), maar belangrijker, de taaiheid - of weerstand tegen breuk - is vrij laag. hun studie, "Taaiheid en sterkte van nanokristallijn grafeen, " is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Dit materiaal heeft zeker een zeer hoge sterkte, maar het heeft een bijzonder lage taaiheid - lager dan diamant en iets hoger dan puur grafiet, " zei Berkeley Lab-wetenschapper Robert Ritchie. "De extreem hoge sterkte is zeer indrukwekkend, maar we kunnen die kracht niet per se gebruiken, tenzij het bestand is tegen breuk."

Ritchie, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en een vooraanstaand expert op het gebied van waarom materialen falen, was co-auteur van de studie samen met Ashivni Shekhawat, een Miller Research Fellow in zijn groep. Samen ontwikkelden ze een statistisch model voor de taaiheid van polykristallijn grafeen om defecten in het materiaal beter te begrijpen en te voorspellen.

"Het is een wiskundig model dat rekening houdt met de nanostructuur van het materiaal, "Zei Ritchie. "We vinden dat de sterkte tot op zekere hoogte varieert met de korrelgrootte, maar het belangrijkste is dat dit een model is dat de breukweerstand van grafeen definieert."

Taaiheid, de weerstand van een materiaal tegen breuk, en kracht, de weerstand van een materiaal tegen vervorming, zijn vaak onderling onverenigbare eigenschappen. "Een constructiemateriaal moet taaiheid hebben, Ritchie legde uit. "We gebruiken gewoon geen sterke materialen in kritieke constructies - we proberen taaie materialen te gebruiken. Als je naar zo'n structuur kijkt, als een drukvat van een kernreactor, het is gemaakt van een relatief lage sterkte staal, geen ultrahogesterktestaal. De hardste staalsoorten worden gebruikt om gereedschappen te maken zoals een hamerkop, maar je zou ze nooit gebruiken om een ​​kritieke structuur te maken vanwege de angst voor catastrofale breuken."

Zoals de auteurs in hun paper opmerken, veel van de toonaangevende toepassingen waarvoor grafeen is voorgesteld, zoals flexibele elektronische displays, corrosiebestendige coatings, en biologische apparaten - zijn impliciet afhankelijk van de mechanische eigenschappen voor structurele betrouwbaarheid.

Hoewel puur monokristallijn grafeen mogelijk minder defecten heeft, de auteurs bestudeerden polykristallijn grafeen omdat het goedkoper is en gewoonlijk wordt gesynthetiseerd met chemische dampafzetting. Ritchie is op de hoogte van slechts één experimentele meting van de taaiheid van het materiaal.

"Onze cijfers kwamen overeen met dat ene experimentele aantal, " zei hij. "In praktische termen betekenen deze resultaten dat een voetbal op een enkel vel monokristallijn grafeen kan worden geplaatst zonder het te breken. Welk object kan worden ondersteund door een overeenkomstige laag polykristallijn grafeen? Het blijkt dat een voetbal veel te zwaar is, en polykristallijn grafeen kan alleen een pingpongbal dragen. Nog steeds opmerkelijk voor een één atoom dik materiaal, maar niet zo adembenemend meer."

Volgende, Shekhawat en Ritchie bestuderen de effecten van het toevoegen van waterstof aan het materiaal. "We weten niet veel over de breuk van grafeen, dus we proberen te zien of het gevoelig is voor andere atomen, " zei hij. "We zien dat de scheuren gemakkelijker groeien in de aanwezigheid van waterstof."