Grafeen is 200 keer sterker dan staal en kan wel zes keer lichter zijn. Deze kenmerken alleen al maken het een populair materiaal in de productie. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign hebben onlangs meer eigenschappen van grafeenplaten ontdekt die de industrie ten goede kunnen komen.

Promovendus Soumendu Bagchi, samen met zijn adviseur Huck Beng Chew van de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek in samenwerking met Harley Johnson van Mechanical Sciences and Engineering identificeerde hij hoe gedraaide grafeenplaten zich gedragen en hoe stabiel ze zijn bij verschillende maten en temperaturen.

"We concentreerden ons op twee grafeenplaten die op elkaar waren gestapeld, maar met een draaihoek, " zei Bagchi. "We hebben atomistische simulaties gedaan bij verschillende temperaturen voor verschillende formaten grafeenplaten. Met behulp van inzichten uit deze simulaties, we hebben een analytisch model ontwikkeld - u kunt elk bladformaat aansluiten, elke draaihoek, en het model zal het aantal lokale stabiele toestanden voorspellen, evenals de kritische temperatuur die nodig is om elk van die toestanden te bereiken."

Bagchi legde uit dat dubbellaags grafeen bestaat in een niet-getwiste Bernal-gestapelde configuratie, wat ook de herhaalde stapelvolgorde is van kristallijn hexagonaal grafiet. Wanneer dubbellaags grafeen wordt gedraaid, het wil terug naar zijn oorspronkelijke staat, want dat is de meest stabiele staat en plaatsing van de atomen.

"Wanneer de verwrongen atomaire structuur wordt verwarmd, het heeft de neiging terug te draaien, maar er zijn bepaalde magische draaihoeken waarbij de structuur stabiel blijft onder een bepaalde temperatuur. En, er is ook een afhankelijkheid van de grootte. Het boeiende aan ons werk is, afhankelijk van de grootte van de grafeenplaat, we kunnen voorspellen hoeveel stabiele toestanden je zult hebben, de magische draaihoeken in deze stabiele toestanden, evenals het temperatuurbereik dat nodig is voor de overgang van gedraaid grafeen van de ene stabiele toestand naar de andere, ' zei Bagchi.

Volgens Chew, fabrikanten hebben geprobeerd grafeentransistors te maken, en van gedraaide grafeendubbellagen is bekend dat ze opwindende elektronische eigenschappen vertonen. Bij de productie van deze grafeentransistors, het is belangrijk om te weten welke temperatuur het materiaal zal prikkelen om een ​​bepaalde rotatie of mechanische respons te bereiken.

"Ze weten dat een grafeenblad bepaalde elektronische eigenschappen heeft, en het onder een hoek toevoegen van een tweede vel levert nieuwe unieke eigenschappen op. Maar een enkele atoomplaat is niet gemakkelijk te manipuleren. Fundamenteel, deze studie beantwoordt vragen over hoe gedraaide grafeenplaten zich gedragen onder thermische belasting, en geeft inzicht in de zelf-uitlijningsmechanismen en krachten op atomair niveau. Dit kan mogelijk de weg vrijmaken voor fabrikanten om nauwkeurige controle te krijgen over de draaihoek van 2D-materiaalstructuren. Ze kunnen parameters direct in het model inpluggen om de noodzakelijke voorwaarden te begrijpen die nodig zijn om een ​​specifieke gedraaide toestand te bereiken."

Bagchi zei dat niemand de 2D-eigenschappen van materialen als deze heeft bestudeerd. Het is een zeer fundamentele studie, en een die begon als een ander project, toen hij iets ongewoons tegenkwam.

"Hij merkte op dat de grafeenplaten enige temperatuurafhankelijkheid vertoonden, ' zei Chew. 'We vroegen ons af waarom het zich zo gedroeg - niet als een normaal materiaal.

"In normale materialen, de interface is meestal erg sterk. Met grafeen, de interface is erg zwak waardoor de lagen kunnen schuiven en draaien. Het observeren van deze interessante temperatuurafhankelijkheid was niet gepland. Dit is het mooie van ontdekkingen in de wetenschap."