(Phys.org) —Grafene, la forma spessa un atomo di carbonio, è diventato famoso per la sua straordinaria forza. Ma fogli tutt'altro che perfetti del materiale mostrano una debolezza inaspettata, secondo i ricercatori della Rice University di Houston e della Tsinghua University di Pechino.

La kryptonite di questo Superuomo di materiali ha la forma di un anello di sette atomi che inevitabilmente si verifica alle giunzioni dei bordi dei grani nel grafene, dove la schiera regolare di unità esagonali è interrotta. A questi punti, sotto tensione, il grafene policristallino ha circa la metà della forza dei campioni incontaminati del materiale.

I calcoli del team Rice del fisico teorico Boris Yakobson e dei suoi colleghi in Cina sono stati riportati questo mese sulla rivista dell'American Chemical Society Nano lettere . Potrebbero essere importanti per gli scienziati dei materiali che utilizzano il grafene in applicazioni in cui la sua forza intrinseca è una caratteristica fondamentale, come i materiali compositi e l'elettronica estensibile o flessibile.

Fogli di grafene coltivati ​​in laboratorio, spesso tramite deposizione chimica da vapore, non sono quasi mai matrici perfette di esagoni, ha detto Yakobson. I domini di grafene che iniziano a crescere su un substrato non sono necessariamente allineati tra loro, e quando queste isole si fondono, sembrano piumini, con modelli che vanno in ogni direzione.

Le linee nei fogli policristallini sono chiamate bordi di grano, e gli atomi a questi confini sono occasionalmente costretti a cambiare il modo in cui si legano dalle regole infrangibili della topologia. I più comuni dei "difetti" nella formazione del grafene studiati dal gruppo di Yakobson sono anelli adiacenti a cinque e sette atomi che sono un po' più deboli degli esagoni che li circondano.

Il team ha calcolato che i particolari anelli di sette atomi trovati alle giunzioni di tre isole sono i punti più deboli, dove è più probabile che si formino crepe. Questi sono i punti finali dei confini del grano tra le isole e sono punti problematici in corso, i ricercatori hanno scoperto.

"Nel passato, le persone che studiavano cosa succede al confine del grano lo guardavano come una linea infinita, " Yakobson ha detto. "È più semplice in questo modo, computazionalmente e concettualmente, perché potrebbero semplicemente guardare un singolo segmento e farlo rappresentare il tutto."

Ma nel mondo reale, Egli ha detto, "queste linee formano una rete. Il grafene di solito è una trapunta composta da molti pezzi. Ho pensato che dovremmo testare le giunzioni."

Hanno determinato attraverso la simulazione della dinamica molecolare e la "buona vecchia analisi matematica" che in una trapunta di grafene, i bordi di grano agiscono come leve che amplificano la tensione (attraverso un pile-up di dislocazione) e la concentrano nel difetto o dove i tre domini si incontrano o dove termina un bordo di grano tra due domini. "I dettagli sono complicati ma, fondamentalmente, più lunga è la leva, maggiore è l'amplificazione sul punto più debole, " disse Yakobson. "La forza è concentrata lì, ed è lì che inizia a rompersi".

"La forza su questi svincoli inizia le crepe, e si propagano come crepe in un parabrezza, " disse Vasilij Artyukhov, un ricercatore post-dottorato alla Rice e coautore del documento. "Nei metalli, le crepe alla fine si fermano perché diventano smussate mentre si propagano. Ma in materiali fragili, ciò non accade. E il grafene è un materiale fragile, quindi una crepa potrebbe fare davvero molta strada".

Yakobson ha detto che concettualmente, i calcoli mostrano ciò che i metallurgisti riconoscono come effetto Hall-Petch, una misura della forza di materiali cristallini con bordi di grano simili. "È uno dei pilastri della meccanica dei materiali su larga scala, " ha detto. "Per il grafene, chiamiamo questo uno pseudo Hall-Petch, perché l'effetto è molto simile anche se il meccanismo è molto diverso.

"Qualsiasi difetto, Certo, fa qualcosa al materiale, " Yakobson ha detto. "Ma questa scoperta è importante perché non si può evitare l'effetto nel grafene policristallino. È anche ironico, perché i policristalli sono spesso considerati quando sono necessari domini più grandi. Mostriamo che quando diventa più grande, diventa più debole.

"Se hai bisogno di una patch di grafene per prestazioni meccaniche, faresti meglio a scegliere monocristalli perfetti o grafene con domini piuttosto piccoli che riducono la concentrazione di stress."