Onderzoekers van de Rice University hebben ontdekt dat breukbestendig "wapening grafeen" meer dan twee keer zo taai is als ongerept grafeen.

Grafeen is een één atoom dik stuk koolstof. Op de tweedimensionale schaal, het materiaal is sterker dan staal, maar omdat grafeen zo dun is, het is nog steeds onderhevig aan scheuren en scheuren.

Wapening grafeen is de nanoschaal analoog van wapening (wapeningsstaven) in beton, waarin ingebedde stalen staven de sterkte en duurzaamheid van het materiaal verbeteren. wapening grafeen, ontwikkeld door het Rice-lab van chemicus James Tour in 2014, gebruikt koolstofnanobuisjes voor versterking.

In een nieuwe studie in het tijdschrift American Chemical Society ACS Nano , Rijstmateriaalwetenschapper Jun Lou, afgestudeerde student en hoofdauteur Emily Hacopian en medewerkers, inclusief rondleiding, stress-getest wapening grafeen en vond dat nanobuis wapening omgeleid en overbrugde scheuren die zich anders zouden voortplanten in ongewapend grafeen.

De experimenten toonden aan dat nanobuisjes grafeen helpen rekbaar te blijven en ook de effecten van scheuren verminderen. Dat kan niet alleen handig zijn voor flexibele elektronica, maar ook voor elektrisch actieve wearables of andere apparaten waar stresstolerantie, flexibiliteit, transparantie en mechanische stabiliteit zijn gewenst, zei Lou.

Zowel de mechanische tests van het laboratorium als de moleculaire dynamica-simulaties door medewerkers van de Brown University onthulden de taaiheid van het materiaal.

De uitstekende geleidbaarheid van grafeen maakt het een sterke kandidaat voor apparaten, maar het broze karakter is een nadeel, zei Lou. Zijn lab meldde twee jaar geleden dat grafeen zo sterk is als de zwakste schakel. Die tests toonden aan dat de sterkte van ongerept grafeen "aanzienlijk lager" was dan de gerapporteerde intrinsieke sterkte. In een latere studie, het lab vond molybdeendiselenide, een ander tweedimensionaal materiaal dat van belang is voor onderzoekers, is ook breekbaar.

Tour benaderde Lou en zijn groep om soortgelijke tests uit te voeren op wapening grafeen, gemaakt door enkelwandige nanobuisjes op een kopersubstraat te spin-coaten en grafeen erop te laten groeien via chemische dampafzetting.

Om wapening grafeen te stresstesten, Hacopiaan, Yang en collega's moesten het aan stukken trekken en de kracht meten die werd uitgeoefend. Door vallen en opstaan, het lab ontwikkelde een manier om microscopisch kleine stukjes van het materiaal te snijden en op een testbed te monteren voor gebruik met scanning-elektronen- en transmissie-elektronenmicroscopen.

"We konden geen lijm gebruiken, dus we moesten de intermoleculaire krachten tussen het materiaal en onze testapparatuur begrijpen, " Hacopian zei. "Met materialen die zo kwetsbaar zijn, het is echt moeilijk."

Rebar weerhield grafeen niet van uiteindelijk falen, maar de nanobuisjes vertraagden het proces door scheuren te forceren om te zigzaggen terwijl ze zich voortplantten. Toen de kracht te zwak was om het grafeen volledig te breken, nanobuisjes overbrugden effectief scheuren en behielden in sommige gevallen de geleidbaarheid van het materiaal.

Bij eerdere proeven is Lou's lab toonde aan dat grafeen een natuurlijke breuktaaiheid heeft van 4 megapascal. In tegenstelling tot, wapening grafeen heeft een gemiddelde taaiheid van 10,7 megapascal, hij zei.

Simulaties door co-auteur Huajian Gao en zijn team bij Brown bevestigden de resultaten van de fysieke experimenten. Gao's team vond dezelfde effecten in simulaties met geordende rijen wapening in grafeen als die gemeten in de fysieke monsters met wapening die alle kanten op wijst.

"De simulaties zijn belangrijk omdat ze ons het proces laten zien op een tijdschaal die voor ons niet beschikbaar is met microscopietechnieken, die ons alleen momentopnames geven, " zei Lou. "Het Brown-team heeft ons echt geholpen te begrijpen wat er achter de cijfers gebeurt."

Hij zei dat de resultaten van wapeningsgrafeen een eerste stap zijn in de richting van de karakterisering van veel nieuwe materialen. "We hopen dat dit een richting opent die mensen kunnen volgen om 2D-materiaalkenmerken voor toepassingen te ontwikkelen, ' zei Lou.

Hacopiaan, Yingchao Yang van de Universiteit van Maine en Bo Ni van Brown University zijn co-hoofdauteurs van het artikel. Co-auteurs zijn Yilun Li, Hua Guo van rijst, Xing Li van Rice en Zhengzhou University en Qing Chen van Peking University. Lou is hoogleraar materiaalkunde en nano-engineering bij Rice. Tour is de T.T. en W.F. Chao Chair in Chemistry en hoogleraar computerwetenschappen en materiaalkunde en nano-engineering Rice. Gao is de Walter H. Annenberg Professor of Engineering aan Brown.