Sammenkrølning reducerer stivheden i et ellers stift materiale, hvilket gør det mindre tilbøjeligt til katastrofale fejl

Gastryk blev påført en sammenkrøllet grafenmembran for at få den til at bule og stivne. Resultatet? Gastrykket afslørede, at dette atomare tynde kulstofmateriale - universelt antaget at være stærkt og stift - har en "blødere side". Den større end forventet reduktion af stivhed med øget krølning fik forskere til at forfine deres forståelse af materialets mekanik.

Fundet af blød mekanik i et hårdt materiale giver ingeniører en "knap" for tuning egenskaber. Det er, ændring af grafens form, eller grad af krølning, ændrer dens stivhed. Materialer kan strain-engineeret til applikationer, hvor mindre stivhed er ønskelig, såsom cykelkomponenter, hvor reduceret stivhed fungerer som naturlig affjedring for at dæmpe en hård tur, eller flydele, hvor mindre skøre materialer er mindre tilbøjelige til katastrofale fejl.

Selvom grafen betragtes som et 2-D materiale, det eksisterer aldrig i en helt flad tilstand. Som rynket hud, når dette atomare tynde kulstof syntetiseres, ved enhver teknik, den er krøllet. På Center for Nanofase Materials Sciences, videnskabsmænd udsatte en grafenmembran for gas under tryk for at få den til at bule, strækker sine rynker ud og tillader måling af elastiske egenskaber ved forskellige krølningsgrader. Eksperimenterne var især udfordrende på grund af membranens tyndhed. Forskerne brugte Raman-spektroskopi til at måle ændringer i belastningen for grafen (afsløret af vibrationsspektre, eller signaturer af interaktioner mellem atomer) og interferometrisk profilometri til at måle overfladetopografi af krøllet grafen (afbøjninger på nogle få mikron langs den lodrette akse, dvs. vinkelret på planet af perfekt flad grafen).

Disse komplementære teknikker lader forskere se på den samme prøve på forskellige måder for at få en ny forståelse af, hvad der sker, når grafen bøjes. De opdagede et uventet ikke-lineært forhold mellem kraften påført en sammenkrøllet grafenmembran og den afstand, den afbøjer sammenlignet med, hvad teorien forudsiger for perfekt flad grafen. Det betyder, at materialet i starten giver let efter, men bliver gradvist stivere, jo mere det deformeres (i dette tilfælde, da grafenmembranen buler ud som reaktion på gastrykket). "Blødere, " eller mindre stiv, kulstofmaterialer kan være fordelagtige i mange tekniske applikationer, såsom strukturelle materialer, der er mindre tilbøjelige til at udvikle revner og kan give efter, før de når fejlpunktet. Disse "krøllede" materialer kan vise sig at være overlegne i forhold til stærke, men skøre materialer, der fejler katastrofalt.