(Phys.org) —Graphene, den enatomtjocka formen av kol, har blivit känd för sin extraordinära styrka. Men mindre än perfekta ark av materialet visar oväntad svaghet, enligt forskare vid Rice University i Houston och Tsinghua University i Peking.

Kryptoniten till denna Superman av material är i form av en sjuatomsring som oundvikligen uppstår vid korsningarna av korngränser i grafen, där den vanliga hexagonala enheten avbryts. Vid dessa punkter, under spänning, polykristallint grafen har ungefär hälften så stark styrka som orörda prover av materialet.

Beräkningar från Rice-teamet av teoretisk fysiker Boris Yakobson och hans kollegor i Kina rapporterades denna månad i tidskriften American Chemical Society Nanobokstäver . De kan vara viktiga för materialforskare som använder grafen i applikationer där dess inneboende styrka är en nyckelfunktion, som kompositmaterial och töjbar eller flexibel elektronik.

Grafenark som odlats i ett labb, ofta via kemisk ångavsättning, är nästan aldrig perfekta uppsättningar av hexagoner, sa Yakobson. Domäner av grafen som börjar växa på ett substrat är inte nödvändigtvis i linje med varandra, och när dessa öar smälter samman, de ser ut som täcken, med mönster som går åt alla håll.

Linjerna i polykristallina ark kallas korngränser, och atomerna vid dessa gränser tvingas emellanåt att ändra sättet de binder samman av topologins okrossbara regler. De vanligaste av de "defekter" i grafenbildning som studerats av Yakobsons grupp är intilliggande fem- och sjuatomsringar som är lite svagare än sexkanterna runt dem.

Teamet beräknade att de särskilda sjuatomsringarna som hittas vid korsningar mellan tre öar är de svagaste punkterna, där det är mest sannolikt att sprickor bildas. Dessa är slutpunkterna för korngränserna mellan öarna och är pågående problemställen, fann forskarna.

"Förr, människor som studerar vad som händer vid spannmålsgränsen betraktade det som en oändlig linje, " sa Yakobson. "Det är enklare så, beräkningsmässigt och konceptuellt, eftersom de bara kunde titta på ett enda segment och låta det representera helheten."

Men i den verkliga världen, han sa, "dessa linjer bildar ett nätverk. Grafen är vanligtvis ett täcke gjord av många bitar. Jag tänkte att vi skulle testa korsningarna."

De fastställde genom simulering av molekylär dynamik och "gammal god matematisk analys" att i ett grafentäcke, korngränserna fungerar som spakar som förstärker spänningen (genom en dislokationstapeup) och koncentrerar den vid defekten antingen där de tre domänerna möts eller där en korngräns mellan två domäner slutar. "Detaljerna är komplicerade men, i grund och botten, ju längre spaken, ju större förstärkning på den svagaste punkten, "Sa Yakobson." Kraften är koncentrerad där, och det är där det börjar gå sönder."

"Kraft på dessa korsningar startar sprickorna, och de fortplantar sig som sprickor i en vindruta, sa Vasilii Artyukhov, en postdoktor vid Rice och medförfattare till artikeln. "I metaller, sprickor slutar så småningom eftersom de blir trubbiga när de fortplantar sig. Men i spröda material, det händer inte. Och grafen är ett sprött material, så en spricka kan räcka väldigt långt."

Yakobson sa att konceptuellt, beräkningarna visar vad metallurger känner igen som Hall-Petch Effect, ett mått på styrkan hos kristallina material med liknande korngränser. "Det är en av pelarna i storskalig materialmekanik, " sa han. "För grafen, vi kallar detta en pseudo Hall-Petch, eftersom effekten är väldigt lik trots att mekanismen är väldigt olika.

"Eventuella defekter, självklart, gör något med materialet, ", sade Yakobson. "Men detta fynd är viktigt eftersom du inte kan undvika effekten i polykristallin grafen. Det är också ironiskt, eftersom polykristaller ofta övervägs när större domäner behövs. Vi visar att när det blir större, det blir svagare.

"Om du behöver en lapp av grafen för mekanisk prestanda, det är bättre att välja perfekta monokristaller eller grafen med ganska små domäner som minskar stresskoncentrationen."