Grafene, un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio, è stato pubblicizzato come il materiale più resistente che esista, 200 volte più forte dell'acciaio, più leggero della carta, e con straordinarie proprietà meccaniche ed elettriche. Ma può essere all'altezza della sua promessa?

Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti hanno sviluppato la prima teoria statistica nota per la tenacità del grafene policristallino, che è fatto con deposizione chimica da vapore, e ha scoperto che è davvero forte (anche se non così forte come il grafene monocristallino incontaminato), ma soprattutto, la sua tenacità, o resistenza alla frattura, è piuttosto bassa. Il loro studio, "Resistenza e resistenza del grafene nanocristallino, " è stato pubblicato di recente in Comunicazioni sulla natura .

"Questo materiale ha certamente una resistenza molto elevata, ma ha una tenacità particolarmente bassa, inferiore al diamante e leggermente superiore alla grafite pura, " ha detto lo scienziato del Berkeley Lab Robert Ritchie. "La sua resistenza estremamente elevata è davvero impressionante, ma non possiamo necessariamente utilizzare quella forza a meno che non abbia resistenza alla frattura".

Ritchie, uno scienziato senior nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e uno dei maggiori esperti sul perché i materiali falliscono, è stato coautore dello studio insieme ad Ashivni Shekhawat, un Miller Research Fellow nel suo gruppo. Insieme hanno sviluppato un modello statistico per la tenacità del grafene policristallino per comprendere e prevedere meglio il guasto nel materiale.

"E' un modello matematico che tiene conto della nanostruttura del materiale, " Ritchie ha detto. "Troviamo che la forza varia con la granulometria fino a una certa misura, ma soprattutto questo è un modello che definisce la resistenza alla frattura del grafene".

tenacia, la resistenza di un materiale alla frattura, e forza, la resistenza di un materiale alla deformazione, sono spesso proprietà reciprocamente incompatibili. "Un materiale strutturale deve avere tenacità, " ha spiegato Ritchie. "Semplicemente non usiamo materiali resistenti in strutture critiche, cerchiamo di usare materiali resistenti. Quando guardi una struttura del genere, come un recipiente a pressione di un reattore nucleare, è fatto di un acciaio relativamente a bassa resistenza, non è un acciaio ad altissima resistenza. Gli acciai più duri vengono utilizzati per realizzare utensili come la testa di un martello, ma non li useresti mai per fabbricare una struttura critica a causa della paura di una frattura catastrofica".

Come notano gli autori nel loro articolo, molte delle applicazioni all'avanguardia per le quali è stato suggerito il grafene, come display elettronici flessibili, rivestimenti resistenti alla corrosione, e dispositivi biologici:dipendono implicitamente dalle sue proprietà meccaniche per l'affidabilità strutturale.

Sebbene il grafene monocristallino puro possa avere meno difetti, gli autori hanno studiato il grafene policristallino in quanto è più economico e comunemente sintetizzato con deposizione chimica da vapore. Ritchie è a conoscenza di una sola misurazione sperimentale della tenacità del materiale.

"I nostri numeri erano coerenti con quell'unico numero sperimentale, " ha detto. "In termini pratici questi risultati significano che un pallone da calcio può essere posizionato su un unico foglio di grafene monocristallino senza romperlo. Quale oggetto può essere sostenuto da un corrispondente foglio di grafene policristallino? Si scopre che un pallone da calcio è troppo pesante, e il grafene policristallino può supportare solo una pallina da ping pong. Ancora notevole per un materiale spesso un atomo, ma non è più così mozzafiato."

Prossimo, Shekhawat e Ritchie stanno studiando gli effetti dell'aggiunta di idrogeno al materiale. "Non sappiamo molto sulla frattura del grafene, quindi stiamo cercando di vedere se è sensibile ad altri atomi, " ha detto. "Stiamo scoprendo che le crepe crescono più facilmente in presenza di idrogeno".