Forskning från Rice University och University of California i Berkeley kan ge vetenskap och industri ett nytt sätt att manipulera grafen, undringsmaterialet som förväntas spela en roll i avancerad elektronisk, mekaniska och termiska tillämpningar.

När grafen-ett en-atom tjockt kolark-river under stress, det gör det på ett unikt sätt som förbryllade forskare som först observerade fenomenet. Istället för att riva slumpmässigt som ett papper skulle, den söker minsta motståndets väg och skapar nya kanter som ger materialet önskvärda egenskaper.

Eftersom grafenens kanter bestämmer dess elektriska egenskaper, att hitta ett sätt att kontrollera dem kommer att vara viktigt, sa Boris Yakobson, Rices Karl F. Hasselmann professor i maskinteknik och materialvetenskap och professor i kemi.

Det är sällsynt att Yakobsons arbete som teoretisk fysiker dyker upp i samma artikel med experimentella bevis, men den senaste inlämningen i Nanobokstäver titeln "Ripping Graphene:Preferred Directions" är ett anmärkningsvärt undantag, han sa.

Yakobson och Vasilii Artyukhov, en postdoktor vid Rice, återskapas i datasimuleringar den typ av rippning som observerats genom ett elektronmikroskop av forskare vid Berkeley.

Teamet i Kalifornien märkte att sprickor i grafenflingor följde fåtölj- eller sicksackkonfigurationer, termer som hänvisar till formen på de skapade kanterna. Det verkade som om molekylära krafter dikterade hur grafen hanterar stress.

De krafterna är robusta. Kol-kolbindningar är de starkaste som människan känner till. Men vikten av denna forskning, Yakobson sa, ligger i karaktären av kanten som härrör från revan. Kanten på ett ark grafen ger det särskilda egenskaper, speciellt i sättet den hanterar elektrisk ström. Grafen är så ledande att ström rinner rakt igenom utan hinder – tills den når kanten. Vad strömmen hittar där gör stor skillnad, han sa, i om det stannar i sina spår eller flyter till en elektrod eller ett annat ark grafen.

"Kantenergi" i grafen och kolnanorör har länge varit intressant för Yakobson, som gav ut ett papper förra året med en formel för att definiera energin hos en grafenbit skuren i valfri vinkel. I molekylärt kol, fåtölj och sicksackkanter är de mest önskvärda eftersom atomer längs kanten är åtskilda med jämna mellanrum och deras elektriska egenskaper är välkända:sicksackgrafen är metallisk, och fåtöljsgrafen är halvledande. Att ta reda på hur man rippa grafen för nanoband med kanter som alla är av den ena eller den andra typen skulle vara ett genombrott för tillverkarna.

Yakobson och hans team bestämde att grafen söker den mest energieffektiva vägen. Berkeley-teamet märkte att flera sprickor i en grafenflaga flödade strikt längs linjer som var (eller vid multiplar av) 30 grader från varandra.

"Graphene föredrar att riva genom att förbruka minsta mängd energi, " sa Yakobson. Han noterade 30-graders separationen mellan vinklarna som skiljer sicksack och fåtölj i ett hexagonalt grafengitter.

För att bevisa det, Artyukhov ägnade två månader åt att bygga molekylära simuleringar som drog isär virtuella rester av grafen på olika sätt. Beroende på vilken kraft som appliceras, en flinga skulle slita längs en rak linje eller gaffel i två riktningar. Men kanterna som produceras skulle alltid vara längs 30-graderslinjer och skulle vara antingen sicksack eller fåtölj.

"I grund och botten, sprickans riktning i klassisk sprickteori bestäms av den väg den skulle kunna ta med minimala energikostnader, ", sa Artyukhov. "Mina simuleringar visade att under vissa förhållanden, detta kan vara fallet med grafen. Det gav en ganska rimlig och tydlig och solid förklaring till denna ovanliga experimentella sak."

Artyukhov fann att att dra för hårt på virtuellt grafen skulle krossa det. "Vår huvudsakliga ansträngning var att dra på den så noggrant att den hinner välja den riktning den skulle föredra, snarare än att ha ett fullständigt misslyckande." Han noterade att simuleringarna var mycket snabbare än rivningar som skulle hända under verkliga omständigheter.

Också överraskande var upptäckten att rivningar i grafen över korngränserna följer samma regler. Tårar följer inte gränsen, vilket skulle skapa energetiskt ogynnsamma kanter, men gå igenom och byt till den mest gynnsamma riktningen i det nya säden.

"Folk från Berkeley gjorde inte kontrollerbara tårar, men deras arbete öppnar tekniska möjligheter för framtiden, " sa Yakobson. "För elektronik, du vill ha band som går i en viss riktning, och denna forskning tyder på att detta är möjligt. Det skulle vara en stor grej.

"Tänk på grafen som ett ark med frimärken:Du lägger på en belastning, och du kan riva arket i en väldefinierad riktning. Det är i princip vad det här experimentet avslöjar för grafen, "sa han." Det finns osynliga riktningar förberedda för dig. "