Grafen:Forskere finder ud af, hvordan man knuser verdens stærkeste materiale

I 2008 eksperimenter på Fu Foundation School of Engineering and Applied Science ved Columbia University etablerede ren grafen, et enkelt lag grafit kun et atom tykt, som det stærkeste materiale, som menneskeheden kender. Dette rejste et spørgsmål til Chris Marianetti, Adjunkt i Columbia Engineerings afdeling for anvendt fysik og anvendt matematik:hvordan og hvorfor går grafen i stykker?

Ved hjælp af kvanteteori og supercomputere, Marianetti har afsløret mekanismerne for mekanisk svigt af ren grafen under trækspænding. I et papir, der for nylig blev godkendt til offentliggørelse i tidsskriftet Fysiske anmeldelsesbreve , han viser det, når grafen er udsat for belastning ens i alle retninger, det omdannes til en ny struktur, som er mekanisk ustabil.

Marianetti siger, at denne fejlmekanisme er en ny soft-mode phonon-ustabilitet. En fonon er en kollektiv vibrationstilstand af atomer i en krystal, ligner en bølge i en væske. Det faktum, at en fonon bliver "blød" under trækbelastning betyder, at systemet kan sænke sin energi ved at forvrænge atomerne langs vibrationstilstanden og gå over til et nyt krystallinsk arrangement. Under tilstrækkelig belastning, grafen udvikler en særlig soft-mode, der får bikagearrangementet af kulstofatomer til at blive drevet mod isolerede sekskantede ringe. Denne nye krystal er strukturelt svagere, resulterer i den mekaniske fejl på grafenarket.

"Dette er spændende på mange forskellige niveauer, Marianetti bemærker. "Bløde tilstande blev først anerkendt i 1960'erne i forbindelse med ferroelektriske faseovergange, men de har aldrig været direkte forbundet med brud. Typisk, fejl i et materiale vil altid medføre, at svigt sker for tidligt, men grafens uberørte natur gør det muligt at teste vores forudsigelse. Vi har allerede skitseret nogle interessante nye eksperimenter for direkte at observere vores teoretiske forudsigelse af den bløde tilstand."

Marianetti tilføjede, at det er første gang, et blødt optisk fonon nogensinde er blevet forbundet med mekanisk fejl, og at det derfor er sandsynligt, at denne nye fejlmekanisme ikke er eksklusiv for grafen, men kan være udbredt i andre meget tynde materialer. "Med nanoteknologi, der bliver mere og mere allestedsnærværende, forståelse af karakteren af ​​mekanisk adfærd i lavdimensionelle systemer såsom grafen er af stor betydning. Vi tror, ​​at stamme kan være et middel til at konstruere egenskaberne af grafen, og derfor er det afgørende at forstå dets grænser." Forskningen blev finansieret af National Science Foundation.

Marianettis forskningsinteresser ligger i brugen af ​​klassisk og kvantemekanik til at modellere materialers opførsel på atomær skala. I særdeleshed, han er fokuseret på at anvende disse teknikker på materialer med potentiale for energilagring og omdannelse. Nuværende anvendelser i hans forskningsprogram spænder fra nukleare materialer som plutonium til genopladelige batterimaterialer som koboltoxider.