Graphene er stærk, men er det hårdt?

Graphene, et materiale bestående af et enkelt lag carbonatomer, er blevet udråbt som det stærkeste materiale, man kender, 200 gange stærkere end stål, lettere end papir, og med ekstraordinære mekaniske og elektriske egenskaber. Men kan den leve op til sit løfte?

Forskere ved US Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har udviklet den første kendte statistiske teori for hårdheden af ​​polykrystallinsk grafen, som er fremstillet med kemisk dampaflejring, og fandt ud af, at det faktisk er stærkt (omend ikke helt så stærkt som uberørt monokrystallinsk grafen), men endnu vigtigere, dens sejhed - eller modstandsdygtighed over for brud - er ret lav. Deres undersøgelse, "Hårdhed og styrke af nanocyrstallinsk grafen, "blev for nylig offentliggjort i Naturkommunikation .

"Dette materiale har bestemt meget høj styrke, men den har særlig lav sejhed - lavere end diamant og lidt højere end ren grafit, "sagde Berkeley Lab -videnskabsmanden Robert Ritchie." Dens ekstremt høje styrke er meget imponerende, men vi kan ikke nødvendigvis udnytte den styrke, medmindre den har modstandsdygtighed over for brud. "

Ritchie, en seniorforsker i Materials Sciences Division i Berkeley Lab og en førende ekspert i, hvorfor materialer fejler, var medforfatter af undersøgelsen sammen med Ashivni Shekhawat, en Miller Research Fellow i sin gruppe. Sammen udviklede de en statistisk model for sejheden af ​​polykrystallinsk grafen for bedre at forstå og forudsige fejl i materialet.

"Det er en matematisk model, der tager hensyn til materialets nanostruktur, "Ritchie sagde." Vi finder ud af, at styrken varierer med kornstørrelsen i et vist omfang, men vigtigst af alt er dette en model, der definerer grafens brudresistens. "

Hårdhed, et materiales modstandsdygtighed over for brud, og styrke, et materiales modstandsdygtighed over for deformation, er ofte indbyrdes uforenelige egenskaber. "Et konstruktionsmateriale skal have sejhed, "Forklarer Ritchie." Vi bruger simpelthen ikke stærke materialer i kritiske strukturer - vi forsøger at bruge hårde materialer. Når man ser på en sådan struktur, som et atomreaktortrykbeholder, den er lavet af et relativt lavt styrke stål, ikke et ultrahøjstyrkestål. De hårdeste stål bruges til at lave værktøjer som et hammerhoved, men du ville aldrig bruge dem til at fremstille en kritisk struktur på grund af frygten for katastrofale brud. "

Som forfatterne bemærker i deres papir, mange af de førende applikationer, som grafen er blevet foreslået til-såsom fleksible elektroniske displays, korrosionsbestandige belægninger, og biologiske anordninger - implicit afhænger af dets mekaniske egenskaber for strukturel pålidelighed.

Selvom rent monokrystallinsk grafen kan have færre defekter, forfatterne studerede polykrystallinsk grafen, da det er mere billigt og almindeligt syntetiseret med kemisk dampaflejring. Ritchie er kun opmærksom på én eksperimentel måling af materialets sejhed.

"Vores tal var i overensstemmelse med det ene eksperimentelle nummer, "sagde han." I praksis betyder disse resultater, at en fodbold kan placeres på et enkelt ark monokrystallinsk grafen uden at bryde den. Hvilket objekt kan understøttes af et tilsvarende ark polykrystallinsk grafen? Det viser sig, at en fodbold er alt for tung, og polykrystallinsk grafen kan kun understøtte en bordtennisbold. Stadig bemærkelsesværdig for et et-atom tykt materiale, men ikke længere lige så betagende. "

Næste, Shekhawat og Ritchie studerer virkningerne af at tilføre brint til materialet. "Vi ved ikke meget om brud på grafen, så vi prøver at se, om det er følsomt over for andre atomer, "sagde han." Vi finder, at revnerne vokser lettere i nærvær af brint. "