In un nuovo studio, pubblicato in Scienza 31 maggio 2013, I ricercatori della Columbia Engineering dimostrano che il grafene, anche se cuciti insieme da tanti piccoli granelli cristallini, è forte quasi quanto il grafene nella sua perfetta forma cristallina. Questo lavoro risolve una contraddizione tra simulazioni teoriche, che ha predetto che i bordi dei grani possono essere forti, e precedenti esperimenti, il che indicava che erano molto più deboli del reticolo perfetto.

Il grafene è costituito da un singolo strato atomico di carbonio, disposti in un reticolo a nido d'ape. "Il nostro primo Scienza carta, nel 2008, studiato la forza che il grafene può raggiungere se non ha difetti:la sua forza intrinseca, "dice James Hone, professore di ingegneria meccanica, che ha condotto lo studio con Jeffrey Kysar, professore di ingegneria meccanica. "Ma senza difetti, il grafene incontaminato esiste solo in aree molto piccole. I fogli di grande area richiesti per le applicazioni devono contenere molti piccoli grani collegati ai bordi dei grani, e non era chiaro quanto fossero forti quei confini di grano. Questo, il nostro secondo Scienza carta, rapporti sulla forza dei film di grafene di grandi dimensioni cresciuti utilizzando la deposizione chimica in fase di vapore (CVD), e siamo entusiasti di dire che il grafene è tornato e più forte che mai".

Lo studio verifica che i metodi comunemente usati per la post-elaborazione del grafene coltivato in CVD indeboliscano i bordi dei grani, con conseguente resistenza estremamente bassa vista in studi precedenti. Il team di Columbia Engineering ha sviluppato un nuovo processo che previene qualsiasi danno al grafene durante il trasferimento. "Abbiamo sostituito un diverso mordenzante e siamo stati in grado di creare campioni di prova senza danneggiare il grafene, " nota l'autore principale del giornale, Gwan-Hyoung Lee, un borsista post-dottorato nel laboratorio Hone. "I nostri risultati correggono chiaramente l'errato consenso sul fatto che i confini dei grani del grafene siano deboli. Questa è un'ottima notizia perché il grafene offre una tale pletora di opportunità sia per la ricerca scientifica fondamentale che per le applicazioni industriali".

Nella sua perfetta forma cristallina, il grafene (uno strato di carbonio dello spessore di un atomo) è il materiale più resistente mai misurato, come riportato dal team di Columbia Engineering in Scienza nel 2008, così forte che, come ha osservato Hone, "ci vorrebbe un elefante, in equilibrio su una matita, per rompere un foglio di grafene lo spessore di Saran Wrap." Per il primo studio, la squadra ha ottenuto piccoli, scaglie di grafene strutturalmente perfette per esfoliazione meccanica, o pelatura meccanica, da un cristallo di grafite. Ma l'esfoliazione è un processo che richiede tempo che non sarà mai pratico per nessuna delle tante potenziali applicazioni del grafene che richiedono la produzione industriale di massa.

Attualmente, gli scienziati possono far crescere fogli di grafene grandi quanto uno schermo televisivo utilizzando la deposizione chimica da vapore (CVD), in cui vengono coltivati ​​singoli strati di grafene su substrati di rame in un forno ad alta temperatura. Una delle prime applicazioni del grafene potrebbe essere come strato conduttore in display flessibili.

"Ma il grafene CVD è 'cucito' insieme da molti piccoli grani cristallini, come una trapunta, ai bordi dei grani che contengono difetti nella struttura atomica, " spiega Kysar. "Questi bordi di grano possono limitare gravemente la forza del grafene di grandi dimensioni se si rompono molto più facilmente del reticolo cristallino perfetto, e quindi c'è stato un intenso interesse nel capire quanto possano essere forti".

Il team di Columbia Engineering voleva scoprire cosa rendeva il grafene CVD così debole. Nello studio delle tecniche di lavorazione utilizzate per creare i loro campioni per i test, hanno scoperto che la sostanza chimica più comunemente usata per rimuovere il substrato di rame provoca anche danni al grafene, degradando gravemente la sua forza.

I loro esperimenti hanno dimostrato che il grafene CVD con grani grandi è esattamente forte quanto il grafene esfoliato, dimostrando che il suo reticolo cristallino è altrettanto perfetto. E, più sorprendentemente, i loro esperimenti hanno anche mostrato che il grafene CVD con piccoli grani, anche se testato proprio al limite del grano, è circa il 90% più forte del cristallo ideale.

"Questo è un risultato entusiasmante per il futuro del grafene, perché fornisce prove sperimentali che l'eccezionale forza che possiede su scala atomica può persistere fino a campioni di dimensioni pollici o più, " dice Hone. "Questa forza sarà inestimabile man mano che gli scienziati continueranno a sviluppare nuova elettronica flessibile e materiali compositi ultraresistenti".

Forte, il grafene di grandi dimensioni può essere utilizzato per un'ampia varietà di applicazioni come l'elettronica flessibile e i componenti di rinforzo, potenzialmente, uno schermo televisivo che si arrotola come un poster o compositi ultraresistenti che potrebbero sostituire la fibra di carbonio. O, i ricercatori ipotizzano, un'idea fantascientifica di un ascensore spaziale che potrebbe collegare un satellite in orbita alla Terra tramite un lungo cavo che potrebbe consistere in fogli di grafene CVD, poiché il grafene (e il suo materiale cugino, nanotubi di carbonio) è l'unico materiale con l'elevato rapporto resistenza-peso richiesto per questo tipo di applicazione ipotetica.

Il team è anche entusiasta di studiare materiali 2D come il grafene. "Si sa molto poco sugli effetti dei bordi dei grani nei materiali 2D, " aggiunge Kysar. "Il nostro lavoro mostra che i bordi dei grani nei materiali 2D possono essere molto più sensibili alla lavorazione rispetto ai materiali 3D. Ciò è dovuto al fatto che tutti gli atomi nel grafene sono atomi di superficie, quindi il danno superficiale che normalmente non degraderebbe la resistenza dei materiali 3D può distruggere completamente la resistenza dei materiali 2D. Tuttavia, con una lavorazione appropriata che eviti danni alla superficie, bordi di grano in materiali 2D, soprattutto grafene, può essere forte quasi quanto il perfetto, struttura priva di difetti."