En elektronmikroskopbild visar en förspricka i ett suspenderat ark med grafen som används för att mäta arkets totala styrka i ett test vid Rice University. Ris- och Georgia Tech -forskare utförde experiment och teoretiska beräkningar och fann att grafen, till stor del uppskattad för sin överlägsna fysiska styrka, är bara lika stark som sin svagaste punkt. Upphovsman:Nanomaterialen, Nanomekanik och Nanodevices Lab/Rice University
(Phys.org) —Det finns ingen som bestrider att grafen är starkt. Men ny forskning från Rice University och Georgia Institute of Technology borde få tillverkarna att titta lite djupare när de överväger mirakelmaterialet för applikationer.
Den atomtjocka kolskivan som upptäcktes under detta århundrade pryder inte bara för sina elektriska egenskaper utan också för sin fysiska styrka och flexibilitet. Bindningarna mellan kolatomer är välkända som de starkaste i naturen, så ett perfekt ark med grafen tål nästan vad som helst. Förstärkning av kompositmaterial är bland materialets potentiella tillämpningar.
Men materialvetare vet att perfektion är svårt att uppnå. Forskarna Jun Lou på Rice och Ting Zhu vid Georgia Tech har uppmätt frakturens seghet för ofullkomlig grafen för första gången och funnit att det är något sprött. Även om det fortfarande är mycket användbart, grafen är egentligen bara lika stark som sin svagaste länk, som de bestämde sig för att vara "väsentligt lägre" än grafens egenstyrka.
"Graphene har exceptionella fysiska egenskaper, men för att använda den i riktiga applikationer, vi måste förstå den användbara styrkan hos grafen med stor yta, som styrs av sprickens seghet, "Sa Zhu.
Forskarna rapporterade i tidningen Naturkommunikation resultaten av tester där de fysiskt drog isär grafen för att se hur mycket kraft det skulle ta. Specifikt, de ville se om grafen följer den hundraåriga Griffith-teorin som kvantifierar användbar styrka hos spröda material.
Det gör det, Sa Lou. "Anmärkningsvärt, I detta fall, termodynamisk energi reglerar fortfarande, " han sa.
Brister i grafen minskar dess styrka drastiskt - med en övre gräns på cirka 100 gigapascal (GPa) för perfekt grafen som tidigare mättes med nanoindentation - enligt fysiska tester på Rice och molekylära dynamiksimuleringar vid Georgia Tech. Det är viktigt för ingenjörer att förstå när de tänker använda grafen för flexibel elektronik, kompositmaterial och andra tillämpningar där spänningar på mikroskopiska brister kan leda till fel.
Ett förspruckt ark av grafen hängdes upp och drogs isär på ett fjäderbelastat stadium för att mäta hur mycket styrka en defekt bit grafen visar. Forskare vid Rice University och Georgia Tech fann att grafen bara är lika starkt som dess svagaste punkt. Eftersom de flesta grafen har defekter, dess verkliga styrka kommer sannolikt att vara betydligt lägre än den inneboende styrkan hos ett perfekt ark av det atomtjocka kolmaterialet. Upphovsman:Nanomaterialen, Nanomekanik och Nanodevices Lab/Rice University
Griffith -kriteriet som utvecklades av en brittisk ingenjör under första världskriget beskriver förhållandet mellan storleken på en spricka i ett material och den kraft som krävs för att få sprickan att växa. I sista hand, A.A. Griffith hoppades kunna förstå varför spröda material misslyckas.
Grafen, det visar sig, skiljer sig inte från de glasfibrer som Griffith testade.
"Alla tror att kol-kol-bindningen är den starkaste bindningen i naturen, så materialet måste vara mycket bra, "Sa Lou." Men det är inte sant längre, när du har dessa defekter. Ju större arket, desto högre är sannolikheten för defekter. Det är välkänt i det keramiska samhället. "
En defekt kan vara så liten som en atom som saknas i det hexagonala galleret av grafen. Men för ett verkligt test, forskarna var tvungna att göra en egen defekt-en pre-crack-de kunde faktiskt se. "Vi vet att det kommer att finnas hål och andra defekter i grafen, "sa han." Pre-crack överskuggar dessa defekter för att bli den svagaste platsen, så jag vet exakt var frakturen kommer att hända när vi drar den.
"Materialmotståndet mot spricktillväxten - sprickens seghet - är vad vi mäter här, och det är en mycket viktig ingenjörsfastighet, " han sa.
Bara att sätta upp experimentet krävde flera års arbete för att övervinna tekniska svårigheter, Sa Lou. För att hänga upp det på en liten fribärande vårstadium som liknar en atomkraftmikroskopi (AFM) -sond, ett grafenark måste vara rent och torrt så att det skulle fästa (via van der Waals kraft) till scenen utan att äventyra den scenrörelse som är nödvändig för testningen. En gång monterad, forskarna använde en fokuserad jonstråle för att skära en förspricka mindre än 10 procent av bredden i den mikronbreda delen av suspenderad grafen. Sedan drog de grafen på mitten, mäta den kraft som krävs.
Ting Zhu, höger, docent vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech, arbetar med doktorander Feifei Fan, sittande, och Zhi Zeng för att beräkna frakturhållfastheten hos grafen som har förspruckits. Georgia Techs beräkningar och fysiska experiment vid Rice University ledde till slutsatsen att grafen, ett-atomskiktet av kol, är bara lika stark som sin svagaste länk. Credit:Georgia Institute of Technology
While the Rice team was working on the experiment, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.
"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."
The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.
"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."
Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."
