Graphenes styrke ligger i dens defekter

Nobelprisens websted viser en kat, der hviler i en grafenhængekøje. Selvom det er fiktivt, billedet fanger spændingen omkring grafen, hvilken, med et atom tykt, er blandt de tyndeste og stærkeste materialer, der nogensinde er produceret.

En væsentlig hindring for at realisere grafens potentiale ligger i at skabe en overflade, der er stor nok til at understøtte en teoretisk sovende kat. For nu, materialeforskere sy individuelle grafenark sammen for at skabe ark, der er store nok til at undersøge mulige applikationer. Ligesom syning af stoflapper sammen kan skabe svagheder, hvor de enkelte plaster mødes, fejl kan svække "korngrænserne", hvor grafenark sys sammen - i det mindste var det, ingeniører havde tænkt.

Nu, ingeniører ved Brown University og University of Texas – Austin har opdaget, at korngrænserne ikke kompromitterer materialets styrke. Korngrænserne er så stærke, faktisk, at arkene er næsten lige så stærke som rent grafen. Tricket, de skriver i et papir udgivet i Videnskab , ligger i de vinkler, hvor de enkelte ark sys sammen.

"Når du har flere fejl, du forventer, at styrken bliver kompromitteret, "sagde Vivek Shenoy, professor i teknik og papirets tilsvarende forfatter, "men her er det lige modsat."

Fundet kan drive udviklingen af ​​større grafenark til brug inden for elektronik, optik og andre industrier.

Graphen er en todimensionel overflade sammensat af stærkt bundne carbonatomer i en næsten fejlfri rækkefølge. Grundenheden i dette gittermønster består af seks carbonatomer, der er kemisk forbundet. Når et grafenark er forbundet med et andet grafenark, nogle af disse seks-kulstof-sekskanter bliver til syv-kulstofbindinger-heptagoner. De pletter, hvor heptagoner forekommer, kaldes "kritiske bindinger".

De kritiske bindinger, placeret langs korngrænserne, var blevet betragtet som de svage led i materialet. Men da Shenoy og Rassin Grantab, en femteårs kandidatstuderende, analyseret, hvor meget styrke der går tabt ved korngrænserne, de lærte noget andet.

"Det viser sig, at disse korngrænser kan, i nogle tilfælde, være så stærk som ren grafen, "Sagde Shenoy.

Ingeniørerne gik derefter ud for at lære hvorfor. Ved hjælp af atomistiske beregninger, de opdagede, at det at vippe den vinkel, som arkene mødes med - korngrænserne - påvirkede materialets samlede styrke. Den optimale retning giver de stærkeste ark, de rapporterer, er 28,7 grader for ark med lænestolsmønster og 21,7 grader for ark med zigzag -layout. Disse kaldes korngrænser med stor vinkel.

Storvinklede korngrænser er stærkere, fordi bindingerne i heptagoner er tættere i længden på de bindinger, der naturligt findes i grafen. Det betyder i storvinklede korngrænser, bindingerne i heptagoner er mindre belastede, hvilket hjælper med at forklare, hvorfor materialet er næsten lige så stærkt som rent grafen på trods af defekterne, Sagde Shenoy.

"Det er den måde, fejlene er ordnet på, "Sagde Shenoy." Korngrænsen kan bedre rumme heptagoner. De er mere afslappede. "