Un'immagine al microscopio elettronico mostra una pre-cricca in un foglio sospeso di grafene utilizzato per misurare la resistenza complessiva del foglio in un test presso la Rice University. Gli scienziati della Rice e della Georgia Tech hanno eseguito esperimenti e calcoli teorici e hanno scoperto che il grafene, ampiamente pubblicizzato per la sua forza fisica superiore, è forte quanto il suo punto più debole. Credito:i nanomateriali, Laboratorio di nanomeccanica e nanodispositivi/Rice University
(Phys.org) —Non c'è dubbio che il grafene sia forte. Ma una nuova ricerca della Rice University e del Georgia Institute of Technology dovrebbe spingere i produttori a guardare un po' più in profondità mentre considerano il materiale miracoloso per le applicazioni.
Il foglio di carbonio dello spessore di un atomo scoperto in questo secolo è pubblicizzato non solo per le sue proprietà elettriche, ma anche per la sua forza fisica e flessibilità. I legami tra gli atomi di carbonio sono ben noti come i più forti in natura, quindi un foglio perfetto di grafene dovrebbe resistere a qualsiasi cosa. Il rinforzo dei materiali compositi è tra le potenziali applicazioni del materiale.
Ma gli scienziati dei materiali sanno che la perfezione è difficile da raggiungere. I ricercatori Jun Lou della Rice e Ting Zhu della Georgia Tech hanno misurato per la prima volta la resistenza alla frattura del grafene imperfetto e lo hanno scoperto un po' fragile. Anche se è ancora molto utile, il grafene è davvero forte solo quanto il suo anello più debole, che hanno determinato essere "sostanzialmente inferiore" rispetto alla forza intrinseca del grafene.
"Il grafene ha proprietà fisiche eccezionali, ma per usarlo in applicazioni reali, dobbiamo capire la forza utile del grafene di grandi dimensioni, che è controllato dalla tenacità alla frattura, " Disse Zhu.
I ricercatori hanno riportato sulla rivista Comunicazioni sulla natura i risultati dei test in cui hanno separato fisicamente il grafene per vedere quanta forza ci vorrebbe. Nello specifico, volevano vedere se il grafene segue la secolare teoria di Griffith che quantifica la forza utile dei materiali fragili.
lo fa, ha detto Lou. "Sorprendentemente, in questo caso, l'energia termodinamica regna ancora, " Egli ha detto.
Le imperfezioni nel grafene riducono drasticamente la sua forza - con un limite superiore di circa 100 gigapascal (GPa) per il grafene perfetto precedentemente misurato mediante nanoindentazione - secondo i test fisici presso la Rice e le simulazioni di dinamica molecolare presso la Georgia Tech. È importante che gli ingegneri lo capiscano mentre pensano di utilizzare il grafene per l'elettronica flessibile, materiale composito e altre applicazioni in cui sollecitazioni su difetti microscopici potrebbero portare a guasti.
Un foglio di grafene pre-incrinato è stato sospeso e smontato su un palco caricato a molla per misurare la forza mostrata da un pezzo di grafene difettoso. Gli scienziati della Rice University e della Georgia Tech hanno scoperto che il grafene è forte solo quanto il suo punto più debole. Poiché la maggior parte del grafene ha difetti, è probabile che la sua forza reale sia significativamente inferiore alla forza intrinseca di un foglio perfetto del materiale di carbonio dello spessore di un atomo. Credito:i nanomateriali, Laboratorio di nanomeccanica e nanodispositivi/Rice University
Il criterio di Griffith sviluppato da un ingegnere britannico durante la prima guerra mondiale descrive la relazione tra la dimensione di una crepa in un materiale e la forza richiesta per farla crescere. In definitiva, AA. Griffith sperava di capire perché i materiali fragili falliscono.
Grafene, si scopre, non è diverso dalle fibre di vetro testate da Griffith.
"Tutti pensano che il legame carbonio-carbonio sia il legame più forte in natura, quindi il materiale deve essere molto buono, " Lou ha detto. "Ma questo non è più vero, una volta che hai quei difetti Più grande è il foglio, maggiore è la probabilità di difetti. Questo è ben noto nella comunità della ceramica".
Un difetto può essere piccolo come un atomo mancante dal reticolo esagonale del grafene. Ma per un test nel mondo reale, i ricercatori hanno dovuto creare un loro difetto, una pre-cricca, che potevano effettivamente vedere. "Sappiamo che ci saranno fori di spillo e altri difetti nel grafene, " ha detto. "Il pre-crack mette in ombra quei difetti per diventare il punto più debole, quindi so esattamente dove si verificherà la frattura quando la tiriamo.
"La resistenza del materiale alla crescita delle cricche - la tenacità alla frattura - è ciò che stiamo misurando qui, e questa è una proprietà ingegneristica molto importante, " Egli ha detto.
La sola messa in opera dell'esperimento ha richiesto diversi anni di lavoro per superare le difficoltà tecniche, ha detto Lou. Per sospenderlo su un minuscolo stadio a molla a sbalzo simile a una sonda per microscopia a forza atomica (AFM), un foglio di grafene doveva essere pulito e asciutto in modo da aderire (tramite la forza di van der Waals) al palco senza compromettere il movimento del palco necessario per il test. Una volta montato, i ricercatori hanno utilizzato un fascio di ioni focalizzato per tagliare una pre-cricca inferiore al 10% della larghezza nella sezione di grafene sospesa larga micron. Poi hanno strappato il grafene a metà, misurare la forza richiesta.
Ting Zhu, Giusto, professore associato presso la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech, lavora con gli studenti laureati Feifei Fan, seduto, e Zhi Zeng per calcolare la tenacità alla frattura del grafene che è stato pre-craccato. I calcoli e gli esperimenti fisici della Georgia Tech presso la Rice University hanno portato alla conclusione che il grafene, lo strato di un atomo di carbonio, è forte quanto il suo anello più debole. Credito:Georgia Institute of Technology
Mentre il team di Rice stava lavorando all'esperimento, Zhu e il suo team hanno eseguito simulazioni al computer per comprendere l'intero processo di frattura.
"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."
The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.
"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."
Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."
