Grafeen is een paradox. Het is het dunste materiaal dat de wetenschap kent, maar ook een van de sterkste. Nutsvoorzieningen, onderzoek van de University of Toronto Engineering toont aan dat grafeen ook zeer goed bestand is tegen vermoeidheid - in staat om meer dan een miljard cycli van hoge stress te weerstaan ​​voordat het breekt.

Grafeen lijkt op een vel in elkaar grijpende zeshoekige ringen, vergelijkbaar met het patroon dat u zou kunnen zien in badkamervloertegels. Op elke hoek is een enkel koolstofatoom gebonden aan zijn drie naaste buren. Hoewel het blad zich zijdelings over elk gebied zou kunnen uitstrekken, het is slechts één atoom dik.

De intrinsieke sterkte van grafeen is gemeten bij meer dan 100 gigapascal, behoren tot de hoogste waarden die voor elk materiaal zijn geregistreerd. Maar materialen falen niet altijd omdat de belasting hun maximale sterkte overschrijdt. Kleine maar repetitieve spanningen kunnen materialen verzwakken door microscopische dislocaties en breuken te veroorzaken die zich in de loop van de tijd langzaam ophopen, een proces dat vermoeidheid wordt genoemd.

"Om vermoeidheid te begrijpen, stel je voor dat je een metalen lepel buigt, " zegt professor Tobin Filleter, een van de senior auteurs van de studie, die onlangs werd gepubliceerd in Natuurmaterialen . "De eerste keer dat je het buigt, het vervormt gewoon. Maar als je het heen en weer blijft werken, uiteindelijk zal het in tweeën breken."

Het onderzoeksteam, bestaande uit Filleter, collega-hoogleraren Engineering van de Universiteit van Toronto, Chandra Veer Singh en Yu Sun, hun studenten, en medewerkers aan de Rice University - wilden weten hoe grafeen bestand zou zijn tegen herhaalde spanningen. Hun aanpak omvatte zowel fysieke experimenten als computersimulaties.

"In onze atomistische simulaties, we ontdekten dat cyclische belasting kan leiden tot onomkeerbare herconfiguraties van bindingen in het grafeenrooster, catastrofale storing veroorzaken bij daaropvolgende belasting, " zegt Singh, die samen met postdoctoraal medestudent Sankha Mukherjee het modelleringsgedeelte van de studie leidde. "Dit is ongewoon gedrag in die zin dat terwijl de banden veranderen, er zijn geen duidelijke scheuren of dislocaties, die zich gewoonlijk in metalen zou vormen, tot het moment van falen."

doctoraat kandidaat Teng Cui, die onder co-supervisie staat van Filleter en Sun, gebruikten het Toronto Nanofabrication Centre om een ​​fysiek apparaat voor de experimenten te bouwen. Het ontwerp bestond uit een siliciumchip geëtst met een half miljoen minuscule gaatjes van slechts enkele micrometers in diameter. Het grafeenvel werd over deze gaten gespannen, als de kop van een kleine trommel.

Met behulp van een atoomkrachtmicroscoop, Cui liet toen een sonde met diamanten punt in het gat zakken om op de grafeenplaat te duwen, overal 20 tot 85 procent van de kracht toepassen waarvan hij wist dat het het materiaal zou breken.

"We hebben de cycli uitgevoerd met een snelheid van 100, 000 keer per seconde, " zegt Cui. "Zelfs bij 70 procent van de maximale stress, het grafeen brak niet langer dan drie uur, wat neerkomt op meer dan een miljard cycli. Bij lagere stressniveaus, sommige van onze proeven duurden meer dan 17 uur."

Net als bij de simulaties, het grafeen stapelde geen scheuren of andere veelbetekenende tekenen van stress op - het brak of het deed het niet.

"In tegenstelling tot metalen, er is geen progressieve schade tijdens vermoeiingsbelasting van grafeen, " zegt Sun. "Het falen ervan is wereldwijd en catastrofaal, simulatieresultaten bevestigen."

Het team testte ook een gerelateerd materiaal, grafeen oxide, die kleine groepen atomen heeft, zoals zuurstof en waterstof, gebonden aan zowel de boven- als onderkant van het vel. Het vermoeiingsgedrag leek meer op traditionele materialen, in die zin dat de mislukking progressiever en gelokaliseerd was. Dit suggereert dat de eenvoudige, regelmatige structuur van grafeen is een belangrijke bijdrage aan zijn unieke eigenschappen.

"Er zijn geen andere materialen die zijn bestudeerd onder vermoeidheidsomstandigheden die zich gedragen zoals grafeen, " zegt Filleter. "We werken nog steeds aan een aantal nieuwe theorieën om dit te proberen te begrijpen."

Wat commerciële toepassingen betreft, Filleter zegt dat grafeenbevattende composieten - mengsels van conventioneel plastic en grafeen - al worden geproduceerd en gebruikt in sportuitrusting zoals tennisrackets en ski's.

In de toekomst, dergelijke materialen kunnen worden gebruikt in auto's of in vliegtuigen, waar de nadruk op lichte en sterke materialen wordt gedreven door de noodzaak om gewicht te verminderen, brandstofefficiëntie te verbeteren en de milieuprestaties te verbeteren.

"Er zijn enkele onderzoeken geweest die suggereren dat grafeenbevattende composieten een verbeterde weerstand bieden tegen vermoeidheid, maar tot nu toe, niemand had het vermoeiingsgedrag van het onderliggende materiaal gemeten, "zegt hij. "Ons doel daarbij was om tot dat fundamentele begrip te komen, zodat in de toekomst, we kunnen composieten ontwerpen die nog beter werken."