Långt ifrån att vara en defekt, en slingrande tråd av udda ringar vid gränsen till två ark grafen har egenskaper som kan visa sig vara värdefulla för tillverkarna, enligt Rice University-forskare.

grafen, den atomtjocka formen av kol, framstår sällan som ett perfekt galler av kycklingtrådsliknande sexatomsringar. När den odlas via kemisk ångavsättning, den består vanligtvis av "domäner, " eller separat odlade ark som blommar utåt från heta katalysatorer tills de möts.

Där de möts, de vanliga raderna av atomer är inte nödvändigtvis inriktade, så de måste justera om de ska bilda ett kontinuerligt grafenplan. Den justeringen framstår som en korngräns, med oregelbundna rader av fem- och sjuatomsringar som kompenserar för vinkelskillnaden.

Den teoretiske fysikern Boris Yakobsons rislabb hade beräknat att ringar med sju kolatomer kan vara svaga punkter som minskar grafenens legendariska styrka. Men ny forskning vid Rice visar att slingrande korngränser kan, i vissa fall, härda det som kallas polykristallina ark, nästan matchar styrkan hos orörd grafen.

Bekvämt, de kan också skapa en "stor elektronisk transportklyfta, " eller bandgap, enligt tidningen. Perfekt grafen möjliggör ballistisk transport av elektricitet, men elektronik kräver material som kontrollerbart kan stoppa och starta flödet. Dessa är kända som halvledare, och förmågan att kontrollera halvledande egenskaper i grafen (och andra tvådimensionella material) är ett mycket eftertraktat mål.

I det nya verket, som dyker upp i Avancerade funktionella material , Yakobson och hans team ledd av postdoktor Zhuhua Zhang fastställde att i vissa vinklar, dessa "slingrande" gränser lindrar stress som annars skulle försvaga arket.

"Om stress längs gränsen lindrades, styrkan av grafen skulle förbättras, ", sa Zhang. "Men detta gäller bara slingrande korngränser jämfört med raka gränser."

Yakobson och hans team beräknar den mekaniska styrkan hos korngränser för att avgöra hur de påverkar varandra:var gränserna är benägna att binda och var de sannolikt kommer att gå sönder under dragpåkänning. Korngränser kan minimera gränssnittsenergin mellan ark genom att bilda par av ringar som kallas dislokationer, där en atom skiftar från en sexledad ring till sin granne för att bilda sammankopplade fem- och sjuatomsenheter.

Ibland dikterar domänernas vinklar snarare slingrande än raka gränser. Zhang och hans medförfattare simulerade dessa slingrande gränser för att mäta deras draghållfasthet och bandgapegenskaper. Han bestämde att där dessa små sektioner är periodiska – det vill säga, när deras mönster upprepas längs med gränsens längd, gäller deras egenskaper för hela det polykristallina arket.

Anmärkningsvärt, en av hans simuleringar av energetiskt "föredragna" slingrande korngränser var en nästan perfekt matchning för den asymmetriska gränsen han upptäckte i en tidning 2011 i tidskriften Nature. Scanningstransmissionselektronmikroskopibilden visade en atomär korngränsstruktur med ett mycket liknande arrangemang av dislokationer. Endast ett par ringar av de hundra i sikte var felplacerade, troligtvis på grund av en förvrängning orsakad av bestrålning från mikroskopets elektronstråle, sa Zhang.

För att dra nytta av Rice labs förutsägelser, forskare skulle behöva ta reda på hur man odlar polykristallint grafen med exakt felinställning av komponenterna. Detta är en stor order, sa Yakobson.

"Men detta - hittills, hypotetiskt – kan uppnås om grafen bildar kärnor vid det polykristallina metallsubstratet med föreskrivna kornorientering så att de framväxande kolöarna ärver felinriktningen av mallen under, " sa Yakobson.