Selv grafen har svage punkter:Teoretikere finder samlinger i polykrystallinsk grafensaft dens styrke

(Phys.org) —Graphene, den enkeltatom-tykke form af kulstof, er blevet berømt for sin ekstraordinære styrke. Men mindre end perfekte ark af materialet viser uventet svaghed, ifølge forskere ved Rice University i Houston og Tsinghua University i Beijing.

Kryptoniten til denne Superman af materialer er i form af en syv-atom ring, der uundgåeligt forekommer ved krydsene af korngrænser i grafen, hvor den regulære række af sekskantede enheder afbrydes. På disse punkter, under spænding, polykrystallinsk grafen har omkring halvdelen af ​​styrken af ​​uberørte prøver af materialet.

Beregninger foretaget af Rice-teamet af teoretisk fysiker Boris Yakobson og hans kolleger i Kina blev rapporteret i denne måned i tidsskriftet American Chemical Society Nano bogstaver . De kan være vigtige for materialeforskere, der bruger grafen i applikationer, hvor dets iboende styrke er en nøglefunktion, som kompositmaterialer og strækbar eller fleksibel elektronik.

Grafenplader dyrket i et laboratorium, ofte via kemisk dampaflejring, er næsten aldrig perfekte arrays af sekskanter, sagde Yakobson. Domæner af grafen, der begynder at vokse på et substrat, er ikke nødvendigvis på linje med hinanden, og når disse øer smelter sammen, de ligner dyner, med mønstre, der går i alle retninger.

Linjerne i polykrystallinske plader kaldes korngrænser, og atomerne ved disse grænser er lejlighedsvis tvunget til at ændre den måde, de binder på, af topologiens ubrydelige regler. De mest almindelige af de "defekter" i grafendannelsen, som Yakobsons gruppe studerede, er tilstødende fem- og syvatoms ringe, der er lidt svagere end sekskanterne omkring dem.

Holdet beregnede, at de særlige syv-atom ringe fundet ved krydsninger af tre øer er de svageste punkter, hvor der er størst sandsynlighed for, at der dannes revner. Dette er endepunkterne for korngrænserne mellem øerne og er igangværende problemområder, fandt forskerne.

"I fortiden, folk, der studerede, hvad der sker ved korngrænsen, så på det som en uendelig linje, " sagde Yakobson. "Det er nemmere på den måde, beregningsmæssigt og konceptuelt, fordi de bare kunne se på et enkelt segment og få det til at repræsentere helheden."

Men i den virkelige verden, han sagde, "disse linjer danner et netværk. Grafen er normalt en quilt lavet af mange stykker. Jeg tænkte, at vi skulle teste krydsene."

De fastslog gennem simulering af molekylær dynamik og "gode gamle matematiske analyser", at i en grafendyne, korngrænserne fungerer som løftestænger, der forstærker spændingen (gennem en dislokationspileup) og koncentrerer den ved defekten, enten hvor de tre domæner mødes, eller hvor en korngrænse mellem to domæner ender. "Detaljerne er komplicerede, men i bund og grund, jo længere håndtaget, jo større forstærkning på det svageste punkt, " sagde Yakobson. "Kraften er koncentreret der, og det er der, det begynder at gå i stykker."

"Kraft på disse kryds starter revnerne, og de breder sig som revner i en forrude, " sagde Vasilii Artyukhov, en postdoc-forsker ved Rice og medforfatter til papiret. "I metaller, revner stopper til sidst, fordi de bliver stumpe, når de forplanter sig. Men i sprøde materialer, det sker ikke. Og grafen er et sprødt materiale, så et knæk kan gå rigtig langt."

Yakobson sagde, at konceptuelt, beregningerne viser, hvad metallurger anerkender som Hall-Petch Effect, et mål for styrken af ​​krystallinske materialer med lignende korngrænser. "Det er en af ​​grundpillerne i storskala materialemekanik, " sagde han. "For grafen, vi kalder dette en pseudo Hall-Petch, fordi effekten er meget ens, selvom mekanismen er meget forskellig.

"Enhver defekt, selvfølgelig, gør noget ved materialet, " sagde Yakobson. "Men dette fund er vigtigt, fordi du ikke kan undgå virkningen i polykrystallinsk grafen. Det er også ironisk, fordi polykrystaller ofte overvejes, når der er behov for større domæner. Vi viser, at efterhånden som den bliver større, det bliver svagere.

"Hvis du har brug for et plaster grafen til mekanisk ydeevne, du må hellere gå efter perfekte monokrystaller eller grafen med ret små domæner, der reducerer stresskoncentrationen."