Dalla sua scoperta, il grafene ha catturato l'attenzione di scienziati e ingegneri per le sue numerose proprietà straordinarie. Ma l'ossido di grafene, un derivato ossidato del grafene, è stato ampiamente considerato come il cugino inferiore del grafene.

"Il grafene è così perfetto, " ha affermato Jiaxing Huang della Northwestern Engineering. "E l'ossido di grafene è più difettoso, quindi è come il più debole, versione meno eccitante del grafene."

Ora un team della Northwestern University ha scoperto che i difetti apparentemente indesiderabili dell'ossido di grafene danno sorprendentemente origine a proprietà meccaniche entusiasmanti. Guidato da Horacio Espinosa, il professore James N. e Nancy J. Farley in produzione e imprenditorialità presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, i ricercatori hanno utilizzato un approccio di sperimentazione e modellazione unico per diventare i primi a esaminare la meccanica di questo materiale precedentemente ignorato a livello atomico. Ciò che hanno scoperto potrebbe potenzialmente svelare il segreto per aumentare con successo l'ossido di grafene, un'area che è stata limitata perché i suoi elementi costitutivi non sono stati ben compresi.

"Il nostro team ha scoperto che l'ossido di grafene mostra una notevole deformazione plastica prima di rompersi, " disse Espinosa. "Il grafene è molto forte, ma può rompersi all'improvviso. Abbiamo scoperto che l'ossido di grafene, però, si deformerà prima di rompersi."

Huang confronta la differenza nelle proprietà dei materiali con oggetti comuni. "La ceramica è forte, " lui dice, "ma se lo rompi, si frantumerà. Ora, se si schiaccia un bicchiere di plastica, si piegherà prima di spezzarsi."

Supportato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito e dal programma di progettazione dei materiali per rivoluzionare e ingegnerizzare il nostro futuro della National Science Foundation, la ricerca è descritta nel numero del 20 agosto di Comunicazioni sulla natura . Oltre a Espinosa, Jiaxing Huang della Northwestern Engineering, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, e SonBinh T. Nguyen, professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences, sono co-ricercatori principali del progetto. Il borsista post-dottorato Xiaoding Wei e gli studenti laureati Rafael A. Soler-Crespo e Lily Mao sono i primi autori del documento.

Il team ha scoperto che la plasticità dell'ossido di grafene è dovuta a un'insolita reazione meccanochimica. L'ossido di grafene comprende due atomi di carbonio e un atomo di ossigeno, una formazione nota come epossido. Questo può essere immaginato come un triangolo con due atomi di carbonio alla base e un atomo di ossigeno in alto. Quando i legami di un epossido vengono rotti chimicamente, i legami carbonio-ossigeno si rompono, lasciando intatto il legame carbonio-carbonio. Il gruppo di ricerca, però, scoperto che quando una forza meccanica veniva applicata all'ossido di grafene, il legame carbonio-carbonio si è rotto per primo, lasciando in posizione i legami carbonio-ossigeno.

"Abbiamo scoperto questa sorpresa su scala atomica, " Ha detto Nguyen. "Questo è completamente diverso da quello che si verifica in altri materiali e una proprietà molto insolita per il foglio di ossido di grafene".

Sapere come funziona l'ossido di grafene su scala atomica potrebbe consentire ai ricercatori di mettere a punto le proprietà del materiale. Il team della Northwestern sta ora estendendo la sua ricerca alla comprensione delle proprietà meccaniche delle interfacce ossido di grafene-polimero, che è fondamentale per ridimensionare il materiale.

"I nostri studi implicano che le risposte all'aumento dell'ossido di grafene potrebbero trovarsi, in parte, alla chimica a livello atomico, " Ha detto Espinosa. "Con più informazioni ottenute su diverse scale di lunghezza e progressi nei metodi di sintesi, alla fine metteremo insieme il puzzle".