Nel 2008, esperimenti presso la Fu Foundation School of Engineering and Applied Science presso la Columbia University hanno stabilito il grafene puro, un singolo strato di grafite dello spessore di un solo atomo, come il materiale più forte conosciuto dall'umanità. Questo ha sollevato una domanda per Chris Marianetti, Assistant Professor presso il Dipartimento di Fisica Applicata e Matematica Applicata della Columbia Engineering:come e perché si rompe il grafene?
Usando la teoria quantistica e i supercomputer, Marianetti ha rivelato i meccanismi di cedimento meccanico del grafene puro sotto sforzo di trazione. In un articolo recentemente accettato per la pubblicazione sulla rivista Lettere di revisione fisica , lui mostra che, quando il grafene è soggetto a sollecitazioni uguali in tutte le direzioni, si trasforma in una nuova struttura meccanicamente instabile.
Marianetti afferma che questo meccanismo di guasto è una nuova instabilità fononica in modalità soft. Un fonone è un modo vibrazionale collettivo di atomi all'interno di un cristallo, simile a un'onda in un liquido. Il fatto che un fonone diventi "morbido" sotto sforzo di trazione significa che il sistema può abbassare la sua energia distorcendo gli atomi lungo la modalità vibrazionale e passando a una nuova disposizione cristallina. Sotto sforzo sufficiente, il grafene sviluppa una particolare modalità soft che fa sì che la disposizione a nido d'ape degli atomi di carbonio venga spinta verso anelli esagonali isolati. Questo nuovo cristallo è strutturalmente più debole, con conseguente guasto meccanico del foglio di grafene.
"Questo è eccitante su molti livelli diversi, " nota Marianetti. "I modi soft sono stati riconosciuti per la prima volta negli anni '60 nel contesto delle transizioni di fase ferroelettriche, ma non sono mai stati direttamente collegati alla frattura. Tipicamente, i difetti in un materiale causeranno sempre un guasto prematuro, ma la natura incontaminata del grafene consente di verificare la nostra previsione. Abbiamo già delineato alcuni nuovi esperimenti interessanti per osservare direttamente la nostra previsione teorica della modalità soft".
Marianetti ha aggiunto che questa è la prima volta che un fonone ottico morbido è mai stato collegato a un guasto meccanico e che quindi è probabile che questo nuovo meccanismo di guasto non sia esclusivo del grafene ma possa essere prevalente in altri materiali molto sottili. "Con la nanotecnologia che diventa sempre più onnipresente, comprendere la natura del comportamento meccanico in sistemi a bassa dimensionalità come il grafene è di grande importanza. Pensiamo che la deformazione possa essere un mezzo per progettare le proprietà del grafene, e quindi comprendere i suoi limiti è fondamentale." La ricerca è stata finanziata dalla National Science Foundation.
Gli interessi di ricerca di Marianetti risiedono nell'uso della meccanica classica e quantistica per modellare il comportamento dei materiali su scala atomica. In particolare, si concentra sull'applicazione di queste tecniche a materiali con potenziale di accumulo e conversione di energia. Le attuali applicazioni nel suo programma di ricerca spaziano da materiali nucleari come il plutonio a materiali per batterie ricaricabili come gli ossidi di cobalto.
