Il grafene è un paradosso. È il materiale più sottile conosciuto dalla scienza, ma anche uno dei più forti. Ora, una ricerca dell'Università di Toronto Engineering mostra che il grafene è anche altamente resistente alla fatica, in grado di resistere a più di un miliardo di cicli di stress elevato prima che si rompa.

Il grafene assomiglia a un foglio di anelli esagonali intrecciati, simile al modello che potresti vedere nelle piastrelle del pavimento del bagno. Ad ogni angolo c'è un singolo atomo di carbonio legato ai suoi tre vicini più vicini. Mentre il foglio potrebbe estendersi lateralmente su qualsiasi area, è spesso solo un atomo.

La forza intrinseca del grafene è stata misurata a più di 100 gigapascal, tra i valori più alti registrati per qualsiasi materiale. Ma i materiali non sempre falliscono perché il carico supera la loro forza massima. Le sollecitazioni piccole ma ripetitive possono indebolire i materiali causando lussazioni e fratture microscopiche che si accumulano lentamente nel tempo, un processo noto come fatica.

"Per capire la fatica, immagina di piegare un cucchiaio di metallo, "dice il professor Tobin Filleter, uno degli autori senior dello studio, che è stato recentemente pubblicato in Materiali della natura . "La prima volta che lo pieghi, si deforma solo. Ma se continui a lavorarci avanti e indietro, alla fine si spezzerà in due".

Il team di ricerca, composto da Filleter, compagni professori di ingegneria dell'Università di Toronto Chandra Veer Singh e Yu Sun, i loro studenti, e collaboratori della Rice University, volevano sapere come il grafene avrebbe resistito a sollecitazioni ripetute. Il loro approccio includeva sia esperimenti fisici che simulazioni al computer.

"Nelle nostre simulazioni atomistiche, abbiamo scoperto che il caricamento ciclico può portare a riconfigurazioni irreversibili del legame nel reticolo del grafene, causando guasti catastrofici al caricamento successivo, "dice Singh, che insieme al borsista postdottorato Sankha Mukherjee ha guidato la parte di modellazione dello studio. "Questo è un comportamento insolito in quanto mentre i legami cambiano, non ci sono crepe o lussazioni evidenti, che di solito si forma nei metalli, fino al momento del fallimento».

dottorato di ricerca candidato Teng Cui, che è co-supervisionato da Filleter e Sun, ha utilizzato il Toronto Nanofabrication Centre per costruire un dispositivo fisico per gli esperimenti. Il progetto consisteva in un chip di silicio inciso con mezzo milione di minuscoli fori di solo pochi micrometri di diametro. Il foglio di grafene è stato steso su questi fori, come la testa di un minuscolo tamburo.

Utilizzando un microscopio a forza atomica, Cui ha quindi abbassato una sonda con punta di diamante nel foro per spingere sul foglio di grafene, applicando dal 20 all'85 percento della forza che sapeva avrebbe rotto il materiale.

"Abbiamo eseguito i cicli a una velocità di 100, 000 volte al secondo, " dice Cui. "Anche al 70 percento dello stress massimo, il grafene non si è rotto per più di tre ore, che funziona per oltre un miliardo di cicli. A livelli di stress inferiori, alcune delle nostre prove sono durate più di 17 ore".

Come per le simulazioni, il grafene non ha accumulato crepe o altri segni rivelatori di stress:si è rotto o no.

"A differenza dei metalli, non vi è alcun danno progressivo durante il carico di fatica del grafene, " dice Sun. "Il suo fallimento è globale e catastrofico, confermando i risultati della simulazione."

Il team ha anche testato un materiale correlato, ossido di grafene, che ha piccoli gruppi di atomi come ossigeno e idrogeno legati sia alla parte superiore che a quella inferiore del foglio. Il suo comportamento a fatica era più simile ai materiali tradizionali, in quanto il fallimento era più progressivo e localizzato. Ciò suggerisce che il semplice, la struttura regolare del grafene è un importante contributo alle sue proprietà uniche.

"Non ci sono altri materiali studiati in condizioni di fatica che si comportano come il grafene, " dice Filleter. "Stiamo ancora lavorando su alcune nuove teorie per cercare di capirlo."

In termini di applicazioni commerciali, Filleter afferma che i compositi contenenti grafene, miscele di plastica convenzionale e grafene, vengono già prodotti e utilizzati in attrezzature sportive come racchette da tennis e sci.

Nel futuro, tali materiali possono iniziare ad essere utilizzati nelle automobili o negli aerei, dove l'enfasi su materiali leggeri e resistenti è guidata dalla necessità di ridurre il peso, migliorare l'efficienza del carburante e migliorare le prestazioni ambientali.

"Ci sono stati alcuni studi che suggeriscono che i compositi contenenti grafene offrono una migliore resistenza alla fatica, ma fino ad ora, nessuno aveva misurato il comportamento a fatica del materiale sottostante, " dice. "Il nostro obiettivo nel fare questo era arrivare a quella comprensione fondamentale in modo che in futuro, saremo in grado di progettare compositi che funzionano ancora meglio."