I en ny studie, publicerad i Vetenskap 31 maj, 2013, Columbia Engineering forskare visar att grafen, även om de sys ihop av många små kristallina korn, är nästan lika stark som grafen i sin perfekta kristallina form. Detta arbete löser en motsättning mellan teoretiska simuleringar, som förutspådde att korngränserna kan vara starka, och tidigare experiment, vilket indikerade att de var mycket svagare än det perfekta gallret.

Grafen består av ett enda atomlager av kol, arrangerad i ett bikakegaller. "Vår första Vetenskap papper, 2008, studerat styrkan grafen kan uppnå om den inte har några defekter - dess inneboende styrka, " säger James Hone, professor i maskinteknik, som ledde studien med Jeffrey Kysar, professor i maskinteknik. "Men felfritt, orörd grafen finns bara i mycket små områden. Storarea ark som krävs för applikationer måste innehålla många små korn anslutna vid korngränserna, och det var oklart hur starka dessa korngränser var. Detta, vår andra Vetenskap papper, rapporterar om styrkan hos grafenfilmer med stor yta som odlas med kemisk ångavsättning (CVD), och vi är glada över att säga att grafen är tillbaka och starkare än någonsin."

Studien verifierar att vanliga metoder för efterbearbetning av CVD-odlad grafen försvagar korngränserna, vilket resulterar i den extremt låga styrkan som setts i tidigare studier. Columbia Engineering -teamet utvecklade en ny process som förhindrar skador på grafen under överföringen. "Vi bytte ut ett annat etsmedel och kunde skapa testprover utan att skada grafen, "konstaterar tidningens huvudförfattare, Gwan-Hyoung Lee, en postdoktor i Hone lab. "Våra resultat korrigerar tydligt den felaktiga konsensus om att grafens korngränser är svaga. Detta är fantastiska nyheter eftersom grafen erbjuder en sådan mängd möjligheter både för grundläggande vetenskaplig forskning och industriella tillämpningar."

I sin perfekta kristallina form, grafen (ett enatoms tjockt kollager) är det starkaste material som någonsin uppmätts, som Columbia Engineering -teamet rapporterade i Vetenskap 2008 - så stark att, som Hone observerade, "det skulle ta en elefant, balanserad på en penna, att bryta igenom ett ark av grafen som är tjockleken på Saran Wrap." För den första studien, laget fick små, strukturellt perfekta flingor av grafen genom mekanisk exfoliering, eller mekanisk peeling, från en kristall av grafit. Men peeling är en tidskrävande process som aldrig kommer att vara praktisk för någon av de många potentiella tillämpningarna av grafen som kräver industriell massproduktion.

För närvarande, forskare kan odla ark av grafen så stora som en tv-skärm genom att använda kemisk ångdeposition (CVD), där enstaka lager av grafen odlas på kopparsubstrat i en högtemperaturugn. En av de första tillämpningarna av grafen kan vara som ett ledande lager i flexibla skärmar.

"Men CVD -grafen" sys "ihop av många små kristallina korn - som en täcke - vid korngränser som innehåller defekter i atomstrukturen, " Kysar förklarar. "Dessa korngränser kan allvarligt begränsa styrkan hos storarea grafen om de går sönder mycket lättare än det perfekta kristallgittret, och så det har varit ett intensivt intresse för att förstå hur starka de kan vara."

Columbia Engineering-teamet ville upptäcka vad som gjorde CVD-grafen så svag. Vid studier av bearbetningstekniker som används för att skapa sina prover för testning, de fann att den kemikalie som oftast används för att ta bort kopparsubstratet också orsakar skador på grafen, allvarligt försämrar dess styrka.

Deras experiment visade att CVD-grafen med stora korn är exakt lika stark som exfolierad grafen, visar att dess kristallgitter är lika perfekt. Och, mer överraskande, deras experiment visade också att CVD -grafen med små korn, även när den testas precis vid en korngräns, är ungefär 90% så stark som den idealiska kristallen.

"Detta är ett spännande resultat för grafens framtid, eftersom det ger experimentella bevis för att den exceptionella styrka den har på atomär skala kan bestå hela vägen upp till prover tum eller mer i storlek, " säger Hone. "Denna styrka kommer att vara ovärderlig när forskare fortsätter att utveckla ny flexibel elektronik och ultrastarka kompositmaterial."

Stark, stor yta grafen kan användas för en mängd olika applikationer såsom flexibel elektronik och förstärkningskomponenter-potentiellt, en tv-skärm som rullar upp som en affisch eller ultrastarka kompositer som skulle kunna ersätta kolfiber. Eller, forskarna spekulerar, en science fiction-idé om en rymdhiss som kunde koppla en satellit i bana till jorden med en lång sladd som kan bestå av ark av CVD-grafen, eftersom grafen (och dess kusinmaterial, kolnanorör) är det enda materialet med det höga förhållandet mellan styrka och vikt som krävs för denna typ av hypotetisk tillämpning.

Teamet är också glada över att studera 2D -material som grafen. "Mycket lite är känt om effekterna av spannmålsgränser i 2D -material, "Kysar tillägger." Vårt arbete visar att korngränser i 2D -material kan vara mycket känsligare för bearbetning än i 3D -material. Detta beror på att alla atomer i grafen är ytatomer, så ytskador som normalt inte skulle försämra styrkan hos 3D -material kan fullständigt förstöra styrkan hos 2D -material. Men med lämplig bearbetning som undviker ytskador, spannmålsgränser i 2D -material, speciellt grafen, kan vara nästan lika stark som den perfekta, defektfri struktur."