Selv med fejl, grafen er det stærkeste materiale i verden

I en ny undersøgelse, udgivet i Videnskab 31. maj kl. 2013, Columbia Engineering forskere demonstrerer, at grafen, selvom de er syet sammen af ​​mange små krystallinske korn, er næsten lige så stærk som grafen i sin perfekte krystallinske form. Dette arbejde løser en modsætning mellem teoretiske simuleringer, som forudsagde, at korngrænser kan være stærke, og tidligere forsøg hvilket indikerede, at de var meget svagere end det perfekte gitter.

Grafen består af et enkelt atomlag af kulstof, arrangeret i et bikagegitter. "Vores første Videnskab papir, i 2008, studeret den styrke grafen kan opnå, hvis det ikke har nogen defekter - dets egenstyrke, "siger James Hone, professor i maskinteknik, der ledede undersøgelsen med Jeffrey Kysar, professor i maskinteknik. "Men uden fejl, uberørt grafen findes kun i meget små områder. Stort arealark, der kræves til applikationer, skal indeholde mange små korn, der er forbundet ved korngrænser, og det var uklart, hvor stærke disse korngrænser var. Det her, vores anden Videnskab papir, rapporter om styrken af ​​store arealgrafenfilm dyrket ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD), og vi er glade for at sige, at grafen er tilbage og stærkere end nogensinde. "

Undersøgelsen bekræfter, at almindeligt anvendte metoder til efterbehandling af CVD-dyrket grafen svækker korngrænser, hvilket resulterer i den ekstremt lave styrke set i tidligere undersøgelser. Columbia Engineering -teamet udviklede en ny proces, der forhindrer enhver skade på grafen under overførsel. "Vi erstattede et andet ætsningsmiddel og var i stand til at oprette testprøver uden at skade grafen, "bemærker papirets hovedforfatter, Gwan-Hyoung Lee, en postdoktor i Hone lab. "Vores resultater korrigerer klart den fejlagtige konsensus om, at korngrænser for grafen er svage. Dette er gode nyheder, fordi grafen giver en overflod af muligheder både for grundlæggende videnskabelig forskning og industrielle anvendelser."

I sin perfekte krystallinske form, grafen (et et-atom-tykt carbonlag) er det stærkeste materiale, der nogensinde er målt, som Columbia Engineering -teamet rapporterede i Videnskab i 2008 - så stærk, at som Hone observerede, "det ville tage en elefant, balanceret på en blyant, at bryde igennem et ark grafen i tykkelsen af ​​Saran Wrap. "Til den første undersøgelse, holdet opnåede små, strukturelt perfekte flager af grafen ved mekanisk eksfoliering, eller mekanisk afskalning fra en krystal af grafit. Men eksfoliering er en tidskrævende proces, der aldrig vil være praktisk for nogen af ​​de mange potentielle anvendelser af grafen, der kræver industriel masseproduktion.

I øjeblikket, forskere kan dyrke ark af grafen så stort som en fjernsynsskærm ved hjælp af kemisk dampaflejring (CVD), hvor enkelte lag grafen dyrkes på kobbersubstrater i en højtemperaturovn. En af de første anvendelser af grafen kan være som et ledende lag i fleksible displays.

"Men CVD -grafen er 'syet' sammen fra mange små krystallinske korn - som en dyne - ved korngrænser, der indeholder defekter i atomstrukturen, "Kysar forklarer." Disse korngrænser kan alvorligt begrænse styrken af ​​grafen med stort areal, hvis de lettere brydes end det perfekte krystalgitter, og så har der været intens interesse i at forstå, hvor stærke de kan være. "

Columbia Engineering -teamet ville opdage, hvad der gjorde CVD -grafen så svagt. Ved undersøgelse af behandlingsteknikker, der bruges til at lave deres prøver til test, de fandt ud af, at det kemikalie, der oftest bruges til at fjerne kobbersubstratet, også forårsager skade på grafen, alvorligt nedværdigende dens styrke.

Deres eksperimenter viste, at CVD -grafen med store korn er nøjagtigt så stærkt som eksfolieret grafen, viser, at dens krystalgitter er lige så perfekt. Og, mere overraskende, deres forsøg viste også, at CVD -grafen med små korn, selv når den testes lige ved en korngrænse, er omkring 90% så stærk som den ideelle krystal.

"Dette er et spændende resultat for grafens fremtid, fordi det giver eksperimentelt bevis på, at den enestående styrke, det besidder i atomskalaen, kan holde sig helt op til prøver tommer eller mere i størrelse, "siger Hone." Denne styrke vil være uvurderlig, når forskere fortsætter med at udvikle ny fleksibel elektronik og ultrasterke kompositmaterialer. "

Stærk, stort område grafen kan bruges til en lang række applikationer såsom fleksibel elektronik og forstærkningskomponenter-potentielt, en fjernsynsskærm, der ruller op som en plakat eller ultrasterke kompositter, der kan erstatte kulfiber. Eller, forskerne spekulerer, en science fiction -idé om en rumelevator, der kunne forbinde en kredsende satellit til Jorden med en lang ledning, der kan bestå af ark CVD -grafen, siden grafen (og dets fættermateriale, carbon nanorør) er det eneste materiale med det høje styrke-til-vægt-forhold, der kræves til denne form for hypotetisk anvendelse.

Teamet er også begejstret for at studere 2D -materialer som grafen. "Meget lidt er kendt om virkningerne af korngrænser i 2D -materialer, "Kysar tilføjer." Vores arbejde viser, at korngrænser i 2D -materialer kan være meget mere følsomme over for behandling end i 3D -materialer. Dette skyldes, at alle atomer i grafen er overfladeatomer, så overfladeskader, der normalt ikke ville forringe styrken af ​​3D -materialer, kan fuldstændigt ødelægge styrken af ​​2D -materialer. Men med passende behandling, der undgår overfladeskader, korngrænser i 2D -materialer, især grafen, kan være næsten lige så stærk som den perfekte, fejlfri struktur. "