Grafen, ett enatomtjockt ark av kolatomer, är det starkaste materialet som är känt, men också ett av de mest spröda. När den går sönder, sliter den längs specifika riktningar, vilket har konsekvenser för dess användning i elektronik och andra applikationer.

Nu har forskare vid University of California, Berkeley, visat att dessa revor följer specifika regler, och att materialet med största sannolikhet kommer att rivas längs linjer som är i en 30-graders vinkel mot dess kristallgitter. Fynden, publicerade i tidskriften Nature Communications, kan hjälpa ingenjörer att designa grafenbaserade material som är mer motståndskraftiga mot rivning.

"Vi fann att det finns vissa riktningar i grafen som är mer benägna att slita än andra", säger studiens huvudförfattare Junhao Lin, en postdoktor vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Detta beror på att kolatomerna i grafen är ordnade i ett hexagonalt gitter, och bindningarna mellan dessa atomer är starkare i vissa riktningar än i andra."

Forskarna använde en kombination av atomistiska simuleringar och teoretiska beräkningar för att bestämma de mest sannolika riktningarna för grafen att riva. De fann att det är mest sannolikt att materialet rivs sönder längs linjer som är parallella med kanterna på det hexagonala gittret, och att det är mer sannolikt att revor uppstår i hörnen av hexagonerna.

"Detta är viktigt eftersom det betyder att vi kan designa grafenbaserade material som är mer motståndskraftiga mot sönderrivning genom att undvika dessa riktningar", säger seniorförfattaren Robert Ritchie, professor i materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. "Vi kan till exempel använda grafenark som är orienterade så att kanterna på sexkanterna är parallella med den applicerade kraften, eller så kan vi använda grafenark som har förstärkts med andra material för att förhindra att de går sönder."

Fynden kan också få konsekvenser för användningen av grafen i elektronik. Grafen är ett lovande material för användning i nästa generations elektroniska enheter, men det är viktigt att se till att materialet är tillräckligt starkt för att tåla påfrestningarna vid användning. Genom att förstå mekanismerna för rivning av grafen kan ingenjörer designa grafenbaserade enheter som är mer hållbara och pålitliga.

Denna forskning stöddes av National Science Foundation och Department of Energy.