Deformation og mekanik af et-atom tyndtlagsmaterialer

Med hensyn til den opmærksomhed, som grafen er blevet modtaget i det sidste årti, intet enkelt materiale er sammenligneligt. Efterhånden som interessen og entusiasmen for grafenforskning fortsætter, det opfordrer til en kritisk undersøgelse af pålideligheden og holdbarheden af ​​grafen-aktiverede applikationer; grafens mekanik bliver derfor afgørende for at løse relaterede spørgsmål.

I praksis, fejl som følge af termodynamik eller indført ved fremstilling, naturligt eller kunstigt, spiller den afgørende rolle i grafens mekaniske adfærd. Vigtigere, høj styrke er blot ét aspekt af grafens storslåede mekaniske egenskaber:Dens etatoms tynde natur fører til ultra-lav bøjningsstivhed og giver anledning til rig morfologi og er afgørende for morfologikontrol.

I en ny anmeldelsesartikel offentliggjort i Beijing-baserede National Science Review , forskere ved Institut for Mekanik, Det Kinesiske Videnskabsakademi, Beijing, Kina, og University of Colorado, Kampesten, OS., præsentere de seneste teoretiske fremskridt inden for grafanets nanomekanik. Medforfatterne Yujie Wei og Ronggui Yang har opsummeret de nuværende fremskridt inden for mekanikken bag defekter i grafen, og teorien om at fange deformationen uden for flyet. De gennemgik det strukturelle-mekaniske egenskabsforhold i grafen, hvad angår dens elasticitet, styrke, bøjning, og rynker, med eller uden indflydelse af ufuldkommenheder. Forskerne skitserede også nogle udfordringer og de potentielle forskningsretninger om nanomekanik af grafen.

"Den indre styrke af monolag grafen er omkring 100 GPa, mindst to størrelsesordener større end de fleste tekniske materialer. Det stærke materiale er også blødt af natur - grafen kan let bøjes for at danne rig tredimensionel morfologi under enten mekanisk eller endda termisk bølgeform. Sådanne slående egenskaber gør grafen til potentielle anvendelser lige fra nanoskala systemer til makroskopiske kompositmaterialer.

"På grund af termodynamikken, stort område grafen er også defekt. De termisk aktiverede defekter er generelt af lavt energiniveau, som ledig plads og 5-7-7-5 ringe, og 5-8-5 ringe. Store omfatter korngrænser og frie kanter. Mekanikken i de typiske defekter i grafen og deres indflydelse på styrken er de centrale opgaver for at løse grafenens struktur-mekaniske egenskabsforhold."

Når belastningsenergien som følge af termisk uoverensstemmelse er stor nok til at overvinde deres adhæsion, grafenlaget spænder for at danne rynker, afslapper dens kompression i planet på bekostning af grænsefladeenergi på grund af delaminering og bøjningsenergi i rynker. Rynkerne kan dannes under både væksten og overførselsprocessen, som er meget svære at frigøre.

Rynken af ​​grafen kunne beskrives ved hjælp af kontinuumsteorien for tynde elastiske plader. De oplyser.

"For grafen dyrket eller overført til et substrat, rynkning af det ultratynde element kan forekomme under konkurrencen om bøjning og dekohæsion. Begge funktioner er vigtige, da morfologien i høj grad påvirker ydelsen af ​​et sådant grafenark. En præcis forudsigelse af morfologien og dens manipulationer er afhængig af en nøjagtig beskrivelse af vdW-interaktionen mellem grafen og substratet, hvilket er langt fra at blive nået og ønskes på grund af det almindeligt kendte faktum, at nøjagtigheden af ​​en atomistisk simulering langtfra ikke er bedre end det potentiale, man bruger, siger forskerne.

"Da grafen menes at være det stærkeste blandt alle kendte materialer, det er ønskeligt at anvende sådanne lavdimensionelle kulstofstrukturer som byggesten til at realisere tredimensionelle (3-D) konstruktionsmaterialer og strukturer, som kan arve deres suveræne egenskaber. I virkeligheden, opskaleringen fører til en væsentlig forringelse af egenskaber, som vi ønsker at beholde. Den enorme kløft stammer fra de forskellige bindingsegenskaber mellem kulstofatomer inden for grafen eller CNT'er og de arkitekterede 3D-konstruktionsmaterialer:Intrastrukturbindingen er kovalent i naturen, mens van der Waals binding dominerer mellem forskellige lag/rør eller med andre materialer, " tilføjer de. "For fuldt ud at udnytte de fantastiske mekaniske egenskaber af grafen i teknisk anvendelse af grafen, der er stadig mange udfordringer, der skal løses. Det er uheldigt, mens mange forskere fokuserer på den lyse side af grafen, mekanikerne er mere bekymrede over materialets pålidelighed og holdbarhed i ingeniørpraksis, som skiller sig ud fra konkurrenterne."