Stresstest afslører, at grafen ikke vil revne under tryk

Grafen er et paradoks. Det er det tyndeste materiale, videnskaben kender, dog også en af ​​de stærkeste. Nu, forskning fra University of Toronto Engineering viser, at grafen også er meget modstandsdygtig over for træthed - i stand til at modstå mere end en milliard cyklusser med høj stress, før det går i stykker.

Grafen ligner et ark af sammenlåsende sekskantede ringe, ligner det mønster, du måske ser i badeværelsesgulvfliser. I hvert hjørne er et enkelt kulstofatom bundet til dets tre nærmeste naboer. Mens arket kunne strække sig sideværts over ethvert område, det er kun et atom tykt.

Den iboende styrke af grafen er blevet målt til mere end 100 gigapascal, blandt de højeste værdier registreret for noget materiale. Men materialer fejler ikke altid, fordi belastningen overstiger deres maksimale styrke. Stress, der er små, men gentagne, kan svække materialer ved at forårsage mikroskopiske dislokationer og brud, der langsomt akkumuleres over tid, en proces kendt som træthed.

"For at forstå træthed, forestil dig at bøje en metalske, " siger professor Tobin Filleter, en af ​​de ledende forfattere af undersøgelsen, som for nylig blev offentliggjort i Naturmaterialer . "Første gang du bøjer den, den deformeres bare. Men hvis du bliver ved med at arbejde frem og tilbage, til sidst går det i stykker i to."

Forskerholdet - bestående af Filleter, andre ingeniørprofessorer ved University of Toronto, Chandra Veer Singh og Yu Sun, deres elever, og samarbejdspartnere ved Rice University - ønskede at vide, hvordan grafen ville modstå gentagne belastninger. Deres tilgang omfattede både fysiske eksperimenter og computersimuleringer.

"I vores atomistiske simuleringer, vi fandt ud af, at cyklisk belastning kan føre til irreversible bindingsrekonfigurationer i grafengitteret, forårsager katastrofal fejl ved efterfølgende lastning, " siger Singh, som sammen med postdoc Sankha Mukherjee ledede modeldelen af ​​undersøgelsen. "Dette er usædvanlig adfærd, da båndene ændrer sig, der er ingen tydelige revner eller dislokationer, som normalt dannes i metaller, indtil fiaskoens øjeblik."

Ph.D. kandidat Teng Cui, som er co-superviseret af Filleter og Sun, brugte Toronto Nanofabrication Center til at bygge en fysisk enhed til eksperimenterne. Designet bestod af en siliciumchip ætset med en halv million bittesmå huller kun få mikrometer i diameter. Grafenarket blev strakt ud over disse huller, som hovedet af en lille tromme.

Ved hjælp af et atomkraftmikroskop, Cui sænkede derefter en sonde med diamantspids ned i hullet for at skubbe på grafenarket, at anvende alt fra 20 til 85 procent af den kraft, som han vidste ville bryde materialet.

"Vi kørte cyklusserne med en hastighed på 100, 000 gange i sekundet, " siger Cui. "Selv ved 70 procent af den maksimale stress, grafenen gik ikke i stykker i mere end tre timer, som arbejder ud til over en milliard cyklusser. Ved lavere stressniveauer, nogle af vores forsøg kørte i mere end 17 timer."

Ligesom med simuleringerne, grafenen akkumulerede ikke revner eller andre afslørende tegn på stress – enten gik den i stykker, eller også gjorde den ikke.

"I modsætning til metaller, der er ingen progressiv skade under træthedsbelastning af grafen, " siger Sun. "Dens fiasko er global og katastrofal, bekræfter simuleringsresultater."

Holdet testede også et relateret materiale, grafenoxid, som har små grupper af atomer som oxygen og hydrogen bundet til både toppen og bunden af ​​arket. Dens træthedsadfærd var mere som traditionelle materialer, i, at fiaskoen var mere progressiv og lokaliseret. Dette tyder på, at det simple, regelmæssig struktur af grafen er en væsentlig bidragyder til dets unikke egenskaber.

"Der er ingen andre materialer, der er blevet undersøgt under udmattelsesforhold, som opfører sig, som grafen gør, " siger Filleter. "Vi arbejder stadig på nogle nye teorier for at prøve at forstå dette."

Med hensyn til kommercielle applikationer, Filleter siger, at grafenholdige kompositter - blandinger af konventionel plastik og grafen - allerede bliver produceret og brugt i sportsudstyr såsom tennisketchere og ski.

I fremtiden, sådanne materialer kan begynde at blive brugt i biler eller i fly, hvor vægten på lette og stærke materialer er drevet af behovet for at reducere vægten, forbedre brændstofeffektiviteten og forbedre miljøpræstationen.

"Der har været nogle undersøgelser, der tyder på, at grafenholdige kompositter giver forbedret modstand mod træthed, men indtil nu, ingen havde målt træthedsadfærden af ​​det underliggende materiale, " siger han. "Vores mål med at gøre dette var at nå frem til den grundlæggende forståelse, så vi i fremtiden vi vil være i stand til at designe kompositter, der fungerer endnu bedre."