Grafen kun så stærk som det svageste led

(Phys.org) —Der er ingen tvivl om, at grafen er stærkt. Men ny forskning fra Rice University og Georgia Institute of Technology bør få producenterne til at kigge lidt dybere, da de overvejer mirakelmaterialet til applikationer.

Den atom-tykke plade af kulstof, der blev opdaget i dette århundrede, hævdes ikke kun for sine elektriske egenskaber, men også for sin fysiske styrke og fleksibilitet. Bindingerne mellem carbonatomer er velkendte som de stærkeste i naturen, så et perfekt ark grafen skal tåle næsten alt. Forstærkning af kompositmaterialer er blandt materialets potentielle anvendelser.

Men materialeforskere ved, at perfektion er svær at opnå. Forskere Jun Lou ved Rice og Ting Zhu ved Georgia Tech har målt brudstyrken af ​​ufuldkommen grafen for første gang og fundet det noget skørt. Selvom det stadig er meget nyttigt, grafen er virkelig kun så stærk som sit svageste led, som de fastslog at være "væsentligt lavere" end grafens egenstyrke.

"Graphene har enestående fysiske egenskaber, men for at bruge det i rigtige applikationer, vi er nødt til at forstå den nyttige styrke af grafen med stort område, som styres af brudstyrken, "Sagde Zhu.

Forskerne rapporterede i tidsskriftet Naturkommunikation resultaterne af test, hvor de fysisk trak grafen fra hinanden for at se, hvor meget kraft det ville kræve. Specifikt, de ønskede at se, om grafen følger den århundredgamle Griffith-teori, der kvantificerer den brugbare styrke af sprøde materialer.

Det gør det, Sagde Lou. "Bemærkelsesværdigt, I dette tilfælde, termodynamisk energi stadig hersker, " han sagde.

Ufuldkommenheder i grafen reducerer dets styrke drastisk - med en øvre grænse på omkring 100 gigapascal (GPa) for perfekt grafen, der tidligere blev målt ved nanoindentation - ifølge fysisk test på Rice og molekylær dynamiksimuleringer ved Georgia Tech. Det er vigtigt for ingeniører at forstå, når de tænker på at bruge grafen til fleksibel elektronik, kompositmateriale og andre anvendelser, hvor spændinger på mikroskopiske fejl kan føre til fejl.

Griffith -kriteriet udviklet af en britisk ingeniør under første verdenskrig beskriver forholdet mellem størrelsen af ​​en revne i et materiale og den kraft, der kræves for at få den revne til at vokse. Ultimativt, A.A. Griffith håbede at forstå, hvorfor sprøde materialer mislykkes.

Graphene, det viser sig, er ikke forskellig fra de glasfibre, Griffith testede.

"Alle tror, ​​at kulstof-kulstofbindingen er den stærkeste binding i naturen, så materialet skal være meget godt, "Sagde Lou." Men det er ikke sandt mere, når du har disse fejl. Jo større arket, jo større er sandsynligheden for fejl. Det er velkendt i det keramiske samfund. "

En defekt kan være så lille som et atom, der mangler på det sekskantede gitter af grafen. Men til en test i den virkelige verden, forskerne måtte lave en egen defekt-en pre-crack-de faktisk kunne se. "Vi ved, at der vil være huller og andre defekter i grafen, "sagde han." Pre-crack overskygger disse fejl for at blive det svageste sted, så jeg ved præcis, hvor bruddet vil ske, når vi trækker det.

"Materialets modstandsdygtighed over for revnevæksten - brudstyrken - er det, vi måler her, og det er en meget vigtig ingeniør ejendom, " han sagde.

Bare opsætningen af ​​eksperimentet krævede flere års arbejde for at overvinde tekniske vanskeligheder, Sagde Lou. For at suspendere det på en lille cantilever -fjederstadie, der ligner en atomkraftmikroskopi (AFM) sonde, et grafenark skulle være rent og tørt, så det ville klæbe (via van der Waals kraft) til scenen uden at gå på kompromis med den bevægelse, der var nødvendig for testen. Når den er monteret, forskerne brugte en fokuseret ionstråle til at skære en præ-revne mindre end 10 procent af bredden i den mikron-brede sektion af suspenderet grafen. Derefter trak de grafen i halve, måling af den krævede kraft.

Mens Rice -teamet arbejdede på eksperimentet, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.

"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."

The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.

"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."

Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."