Un'immagine mostra un campione di grafene per armature dopo essere stato testato al microscopio elettronico dagli scienziati dei materiali della Rice University. Mostra come le crepe si propagano a zigzag, piuttosto che dritto, come si vedrebbe nel semplice grafene. Il grafene dell'armatura è attaccato da forze molecolari su entrambi i lati a una piattaforma che separa lentamente il materiale. Credito:Emily Hacopian/Lou Group
I ricercatori della Rice University hanno scoperto che il "grafene per armature" resistente alla frattura è più del doppio del grafene incontaminato.
Il grafene è un foglio di carbonio dello spessore di un atomo. Sulla scala bidimensionale, il materiale è più forte dell'acciaio, ma poiché il grafene è così sottile, è ancora soggetto a strappi e lacerazioni.
Il grafene dell'armatura è l'analogo su scala nanometrica dell'armatura (barre d'armatura) in calcestruzzo, in cui le barre d'acciaio incorporate migliorano la resistenza e la durata del materiale. Grafene per armature, sviluppato dal laboratorio Rice del chimico James Tour nel 2014, utilizza nanotubi di carbonio per il rinforzo.
In un nuovo studio sulla rivista dell'American Chemical Society ACS Nano , Lo scienziato dei materiali di riso Jun Lou, studentessa laureata e autrice principale Emily Hacopian e collaboratori, compreso Tour, ha testato il grafene dell'armatura e ha scoperto che l'armatura di nanotubi deviava e collegava le crepe che altrimenti si sarebbero propagate nel grafene non rinforzato.
Gli esperimenti hanno dimostrato che i nanotubi aiutano il grafene a rimanere elastico e riducono anche gli effetti delle crepe. Ciò potrebbe essere utile non solo per l'elettronica flessibile, ma anche per dispositivi indossabili elettricamente attivi o altri dispositivi in cui la tolleranza allo stress, flessibilità, si desiderano trasparenza e stabilità meccanica, ha detto Lou.
Sia i test meccanici del laboratorio che le simulazioni di dinamica molecolare da parte dei collaboratori della Brown University hanno rivelato la tenacità del materiale.
L'eccellente conduttività del grafene lo rende un ottimo candidato per i dispositivi, ma la sua natura fragile è un aspetto negativo, ha detto Lou. Il suo laboratorio ha riferito due anni fa che il grafene è forte quanto il suo anello più debole. Questi test hanno mostrato che la forza del grafene incontaminato è "sostanzialmente inferiore" rispetto alla sua forza intrinseca riportata. In uno studio successivo, il laboratorio ha trovato diseleniuro di molibdeno, un altro materiale bidimensionale di interesse per i ricercatori, è anche fragile.
Tour ha contattato Lou e il suo gruppo per eseguire test simili sul grafene per armature, realizzato mediante spin-coating di nanotubi a parete singola su un substrato di rame e facendo crescere grafene sopra di essi tramite deposizione chimica da vapore.
Per sottoporre a stress test il grafene dell'armatura, Hacopian, Yang e colleghi hanno dovuto farlo a pezzi e misurare la forza che è stata applicata. Attraverso tentativi ed errori, il laboratorio ha sviluppato un modo per tagliare pezzi microscopici del materiale e montarlo su un banco di prova per l'uso con microscopi elettronici a scansione ea trasmissione.
"Non potevamo usare la colla, quindi abbiamo dovuto capire le forze intermolecolari tra il materiale e i nostri dispositivi di prova, " Hacopian ha detto. "Con materiali così fragili, è davvero difficile".
La studentessa laureata alla Rice University Emily Hacopian tiene in mano la piattaforma che ha usato per studiare la forza del grafene per armature al microscopio. Hacopian e colleghi hanno scoperto che il rinforzo del grafene con nanotubi di carbonio rende il materiale due volte più resistente. Credito:Jeff Fitlow
Rebar non ha impedito al grafene di fallire definitivamente, ma i nanotubi hanno rallentato il processo costringendo le crepe a zigzagare mentre si propagavano. Quando la forza era troppo debole per rompere completamente il grafene, i nanotubi hanno efficacemente colmato le crepe e in alcuni casi hanno preservato la conduttività del materiale.
Nei test precedenti, Il laboratorio di Lou ha mostrato che il grafene ha una resistenza alla frattura nativa di 4 megapascal. In contrasto, il grafene delle armature ha una tenacità media di 10,7 megapascal, Egli ha detto.
Le simulazioni del coautore dello studio Huajian Gao e del suo team alla Brown hanno confermato i risultati degli esperimenti fisici. Il team di Gao ha trovato gli stessi effetti nelle simulazioni con file ordinate di armature in grafene di quelle misurate nei campioni fisici con le armature rivolte in ogni direzione.
"Le simulazioni sono importanti perché ci permettono di vedere il processo su una scala temporale che non è disponibile per noi con le tecniche di microscopia, che ci danno solo istantanee, " Lou ha detto. "Il team Brown ci ha davvero aiutato a capire cosa sta succedendo dietro i numeri".
Ha detto che i risultati del grafene delle armature sono un primo passo verso la caratterizzazione di molti nuovi materiali. "Speriamo che questo apra una direzione che le persone possano perseguire per progettare caratteristiche dei materiali 2D per applicazioni, " Ha detto Lu.
Hacopian, Yingchao Yang dell'Università del Maine e Bo Ni della Brown University sono co-autori del documento. I coautori sono Yilun Li, Hua Guo di riso, Xing Li della Rice e dell'Università di Zhengzhou e Qing Chen dell'Università di Pechino. Lou è professore di scienza dei materiali e nanoingegneria alla Rice. Tour è il T.T. e W.F. Chao Chair in Chimica e professore di informatica e di scienza dei materiali e nanoingegneria Rice. Gao è il professore di ingegneria Walter H. Annenberg alla Brown.
