Sedan upptäckten, grafen har fångat vetenskapsmäns och ingenjörers uppmärksamhet för sina många extraordinära egenskaper. Men grafenoxid - ett oxiderat derivat av grafen - har till stor del setts som grafenens underlägsna kusin.

"Grafen är så perfekt, " sa Northwestern Engineerings Jiaxing Huang. "Och grafenoxid är mer defekt, så det är som den svagare, mindre spännande version av grafen."

Nu har ett team från Northwestern University funnit att grafenoxids till synes oönskade defekter överraskande nog ger upphov till spännande mekaniska egenskaper. Leds av Horacio Espinosa, James N. och Nancy J. Farley professor i tillverkning och entreprenörskap vid Northwesterns McCormick School of Engineering, forskarna använde en unik experiment- och modelleringsmetod för att bli de första att undersöka mekaniken i detta tidigare ignorerade material på atomnivå. Det de upptäckte kunde potentiellt låsa upp hemligheten till att framgångsrikt skala upp grafenoxid, ett område som har begränsats på grund av att dess byggstenar inte har förståtts väl.

"Vårt team upptäckte att grafenoxid uppvisar anmärkningsvärd plastisk deformation innan den går sönder, " sade Espinosa. "Graphene är mycket stark, men det kan plötsligt gå sönder. Vi fann att grafenoxid, dock, kommer att deformeras först innan det slutligen går sönder."

Huang jämför skillnaden i materialens egenskaper med vanliga föremål. "Keramik är stark, " han säger, "men om du bryter den, det kommer att splittras. Om nu en plastmugg pressas, den kommer att böjas innan den knäpper."

Med stöd av Army Research Office och National Science Foundations designmaterial för att revolutionera och konstruera vårt framtidsprogram, forskningen beskrivs i numret 20 augusti av Naturkommunikation . Förutom Espinosa, Northwestern Engineerings Jiaxing Huang, docent i materialvetenskap och teknik, och SonBinh T. Nguyen, professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences, är medansvariga utredare i projektet. Postdoktor Xiaoding Wei och doktorander Rafael A. Soler-Crespo och Lily Mao är medförfattare till uppsatsen.

Teamet fann att grafenoxidens plasticitet beror på en ovanlig mekanokemisk reaktion. Grafenoxid består av två kolatomer och en syreatom, en formation som kallas en epoxid. Detta kan föreställas som en triangel med två kolatomer vid basen och en syreatom i toppen. När en epoxids bindningar bryts kemiskt, kol-syrebindningarna bryts, lämnar kol-kolbindningen intakt. Forskargruppen, dock, fann att när en mekanisk kraft applicerades på grafenoxid, kol-kolbindningen bröts först, lämnar kol-syrebindningarna på plats.

"Vi avslöjade denna överraskning på atomär skala, " Nguyen sa. "Detta är helt annorlunda än vad som förekommer i andra material och en mycket ovanlig egenskap för grafenoxidarket."

Att veta hur grafenoxid fungerar på atomär skala kan tillåta forskare att ställa in materialets egenskaper. Northwestern-teamet utökar nu sin forskning till att förstå de mekaniska egenskaperna hos grafenoxid-polymergränssnitt, vilket är avgörande för att skala upp materialet.

"Våra studier tyder på att svaren på att skala upp grafenoxid kan ligga, till viss del, till kemin på atomnivå, ", sa Espinosa. "Med mer information erhållen vid olika längdskalor samt framsteg inom syntesmetoder, så småningom kommer vi att lägga pusslet."