Un gruppo di scienziati dell'Università di Osaka, in collaborazione con Kaneka Corporation, valutato la forza del legame interplanare del grafene misurando la costante elastica della grafite, dimostrando che la costante elastica della grafite monocristallina (Figura 1, in alto) era superiore a 45 gigapascal (GPa), che era più alto di quanto convenzionalmente creduto. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati su Physical Review Materials.

La grafite è costituita da strati di grafene e gli strati sono legati tramite deboli forze di van der Waals (vdW), un'attrazione onnipresente tra tutte le molecole. Si credeva che la costante elastica del cristallo di grafite non superasse i 40 GPa.

Questo perché le costanti elastiche ottenute da esperimenti che utilizzano grafite pirolitica artificiale altamente orientata (HOPG) erano basse a causa di difetti strutturali nella grafite (come esemplificato nella Figura 1, in basso) e calcoli teorici hanno anche dimostrato che la costante elastica della grafite era inferiore a 39 GPa.

Poiché una caratteristica diretta di un'interazione interplanare è la costante elastica lungo l'asse c della grafite, che riflette la forza del legame intercalare, la costante elastica della grafite è stata utilizzata per convalidare gli approcci teorici proposti, e la sua misurazione accurata è fondamentale per comprendere a fondo le interazioni vdW.

In questo studio, Kaneka Corporation ha creato una grafite monocristallina di alta qualità priva di difetti riscaldando film sottili di poliimmide ad alto orientamento ad alte temperature; però, era molto difficile misurare la costante elastica di questo cristallo (10 μm di diametro, 1μm di spessore) lungo la direzione dello spessore.

Così, per ottenere sperimentalmente la costante elastica della grafite, utilizzando la spettroscopia ad ultrasuoni laser a picosecondi, questo gruppo ha applicato un laser di 1μm di diametro alla superficie di un grafene multistrato per un 10 trilionesimo di secondo per generare ultrasuoni ad altissima frequenza. Misurando accuratamente la velocità del suono dell'onda longitudinale lungo la direzione dello spessore, hanno ottenuto la costante elastica.

Sebbene si pensasse che la forza del legame interplanare della grafite fosse molto debole, i risultati di questo studio hanno mostrato che aveva una forte forza di legame:la costante elastica era di quasi 50 GPa, che non può essere spiegato dalle teorie convenzionali.

In questo studio, l'effetto di correlazione a corto raggio ha rafforzato selettivamente la superficie di energia potenziale (PES). Questo PES anarmonico ha migliorato la costante elastica della grafite. Utilizzando il metodo ACFDT-RPA+U, hanno dimostrato che la costante elastica ha raggiunto 50 GPa a causa dell'effetto di correlazione a corto raggio.

L'autore principale KUSAKABE Koichi afferma:"Il nostro gruppo di ricerca mostra che la grafite mostra la sua superiorità in uno stato altamente cristallino. Abbiamo creato alta qualità, grafite ad alta cristallinità, che ha una forza di legame interplanare più forte di quanto si credesse in precedenza. L'applicazione di tecniche di misurazione ultrasonica a questo film sottile di grafite monocristallina privo di difetti porterà alla produzione di sensori altamente sensibili per l'identificazione di materia biologica come le proteine ​​nei test non distruttivi".