2008, experiment vid Fu Foundation School of Engineering and Applied Science vid Columbia University etablerade ren grafen, ett enda lager grafit endast en atom tjockt, som det starkaste materialet som mänskligheten känner. Detta väckte en fråga för Chris Marianetti, Biträdande professor vid Columbia Engineerings institution för tillämpad fysik och tillämpad matematik:hur och varför går grafen sönder?
Med hjälp av kvantteori och superdatorer, Marianetti har avslöjat mekanismerna för mekaniskt fel hos ren grafen under dragspänning. I en artikel som nyligen accepterats för publicering i tidskriften Fysiska granskningsbrev , han visar att när grafen utsätts för belastning lika i alla riktningar, det förvandlas till en ny struktur som är mekaniskt instabil.
Marianetti säger att denna felmekanism är en ny fononinstabilitet i mjukt läge. En fonon är ett kollektivt vibrationssätt av atomer i en kristall, liknar en våg i en vätska. Det faktum att en fonon blir "mjuk" under dragpåkänning gör att systemet kan sänka sin energi genom att förvränga atomerna längs vibrationsläget och övergå till ett nytt kristallint arrangemang. Under tillräcklig påfrestning, grafen utvecklar ett speciellt mjukt läge som gör att bikakearrangemanget av kolatomer drivs mot isolerade hexagonala ringar. Denna nya kristall är strukturellt svagare, vilket resulterar i ett mekaniskt fel på grafenarket.
"Det här är spännande på många olika nivåer, " Marianetti noterar. "Mjuka lägen kändes först igen på 1960-talet i samband med ferroelektriska fasövergångar, men de har aldrig varit direkt kopplade till fraktur. Vanligtvis, defekter i ett material kommer alltid att orsaka fel i förtid, men grafenens orörda natur tillåter en att testa vår förutsägelse. Vi har redan skisserat några intressanta nya experiment för att direkt observera vår teoretiska förutsägelse av det mjuka läget."
Marianetti tillade att detta är första gången en mjuk optisk fonon någonsin har kopplats till mekaniska fel och att det därför är troligt att denna nya felmekanism inte är exklusiv för grafen utan kan vara utbredd i andra mycket tunna material. "När nanotekniken blir allt mer allmänt förekommande, Att förstå karaktären av mekaniskt beteende i lågdimensionella system som grafen är av stor vikt. Vi tror att stam kan vara ett sätt att konstruera egenskaperna hos grafen, och därför är det viktigt att förstå dess gränser." Forskningen finansierades av National Science Foundation.
Marianettis forskningsintressen ligger i användningen av klassisk och kvantmekanik för att modellera materialens beteende på atomär skala. Särskilt, han är fokuserad på att tillämpa dessa tekniker på material med potential för energilagring och omvandling. Nuvarande tillämpningar i hans forskningsprogram sträcker sig från kärnmaterial som plutonium till uppladdningsbara batterimaterial som koboltoxider.
