Grafenrivninger følger regler:Simuleringer viser carbonplader, der rives langs energisk gunstige linjer

Forskning fra Rice University og University of California i Berkeley kan give videnskab og industri en ny måde at manipulere grafen på, vidundermaterialet forventes at spille en rolle i avanceret elektronisk, mekaniske og termiske applikationer.

Når grafen – en etatom tyk kulstofplade – revner under stress, det gør det på en unik måde, som undrede videnskabsmænd, der først observerede fænomenet. I stedet for at rive tilfældigt som et stykke papir ville, den søger den mindste modstands vej og skaber nye kanter, der giver materialet ønskværdige egenskaber.

Fordi grafens kanter bestemmer dets elektriske egenskaber, at finde en måde at kontrollere dem på vil være vigtigt, sagde Boris Yakobson, Rice's Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik og materialevidenskab og professor i kemi.

Det er sjældent, at Yakobsons arbejde som teoretisk fysiker dukker op i samme papir med eksperimentelle beviser, men den seneste indsendelse i Nano bogstaver med titlen "Ripping Graphene:Preferred Directions" er en bemærkelsesværdig undtagelse, han sagde.

Yakobson og Vasilii Artyukhov, en postdoc forsker ved Rice, genskabt i computersimuleringer den form for ripping observeret gennem et elektronmikroskop af forskere ved Berkeley.

Californiens team bemærkede, at revner i flager af grafen fulgte lænestols- eller zigzag-konfigurationer, udtryk, der refererer til formen af ​​de skabte kanter. Det så ud til, at molekylære kræfter dikterede, hvordan grafen håndterer stress.

Disse kræfter er robuste. Kulstof-kulstof-bindinger er de stærkeste, man kender til. Men vigtigheden af ​​denne forskning, Yakobson sagde, ligger i arten af ​​den kant, der er resultatet af riften. Kanten af ​​et ark grafen giver det særlige kvaliteter, især i den måde, den håndterer elektrisk strøm på. Grafen er så ledende, at strømmen løber lige igennem uden hindring - indtil den når kanten. Hvad strømmen finder der gør en stor forskel, han sagde, om det stopper i sine spor eller flyder til en elektrode eller et andet ark grafen.

"Kantenergi" i grafen og kulstof nanorør har længe været interessant for Yakobson, som udgav et papir sidste år med en formel til at definere energien af ​​et stykke grafen skåret i enhver vinkel. I molekylært kulstof, lænestol og zigzag kanter er de mest ønskværdige, fordi atomer langs kanten er fordelt med jævne mellemrum, og deres elektriske egenskaber er velkendte:Zigzag grafen er metallisk, og lænestolsgrafen er halvledende. At finde ud af, hvordan man river grafen til nanobånd med kanter, der alle er af den ene eller den anden type, ville være et gennembrud for producenterne.

Yakobson og hans team fastslog, at grafen søger den mest energieffektive vej. Berkeley-teamet bemærkede, at flere revner i en flage af grafen flød strengt langs linjer, der var ved (eller ved multipler af) 30 grader fra hinanden.

"Graphene foretrækker at rive ved at bruge den mindste mængde energi, " sagde Yakobson. Han bemærkede den 30-graders adskillelse mellem vinklerne, der adskiller zigzag og lænestol i et sekskantet grafengitter.

For at bevise det, Artyukhov brugte to måneder på at bygge molekylære simuleringer, der trak virtuelle stumper af grafen fra hinanden på forskellige måder. Afhængigt af den påførte kraft, en flage ville rive langs en lige linje eller gaffel i to retninger. Men de producerede kanter ville altid være langs 30-graders linjer og ville være enten zigzag eller lænestol.

"I bund og grund, retningen af ​​revnen i klassisk brudteori er bestemt af den vej, den kunne tage med de minimale omkostninger i energi, " sagde Artyukhov. "Mine simuleringer viste, at under nogle forhold, dette kunne være tilfældet med grafen. Det gav en ret fornuftig og klar og solid forklaring på denne usædvanlige eksperimentelle ting."

Artyukhov fandt ud af, at det ville knuse det at trække for hårdt i virtuel grafen. "Vores hovedindsats var at trække i den så delikat, at den har tid til at vælge den retning, den foretrækker, snarere end at have en fuldstændig fiasko." Han bemærkede, at simuleringerne var meget hurtigere end rips, der ville ske under virkelige omstændigheder.

Også overraskende var opdagelsen af, at rifter i grafen på tværs af korngrænser følger de samme regler. Tårer følger ikke grænsen, hvilket ville skabe energetisk ugunstige kanter, men gå igennem og skifte til den gunstigste retning i det nye korn.

"Berkeley-folkene gjorde ikke kontrollerbare tårer, men deres arbejde åbner teknologiske muligheder for fremtiden, " sagde Yakobson. "For elektronik, du vil have bånd, der går i en bestemt retning, og denne forskning tyder på, at dette er muligt. Det ville være en stor ting.

"Tænk på grafen som et ark frimærker:Du påfører en belastning, og du kan rive arket i en veldefineret retning. Det er dybest set, hvad dette eksperiment afslører for grafen, " sagde han. "Der er usynlige anvisninger forberedt til dig."