grafen, ett material som består av ett enda lager av kolatomer, har utpekats som det starkaste materialet som finns, 200 gånger starkare än stål, lättare än papper, och med extraordinära mekaniska och elektriska egenskaper. Men kan den leva upp till sitt löfte?

Forskare vid det amerikanska energidepartementets Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har utvecklat den första kända statistiska teorin för segheten hos polykristallin grafen, som är gjord med kemisk ångavsättning, och fann att den verkligen är stark (om än inte riktigt lika stark som orörd monokristallin grafen), men ännu viktigare, dess seghet – eller motståndskraft mot brott – är ganska låg. Deras studie, "Seghet och styrka hos nanocyrstallin grafen, " publicerades nyligen i Naturkommunikation .

"Detta material har verkligen mycket hög hållfasthet, men den har särskilt låg seghet - lägre än diamant och lite högre än ren grafit, ", sa Berkeley Lab-forskaren Robert Ritchie. "Dess extremt höga hållfasthet är mycket imponerande, men vi kan inte nödvändigtvis använda den styrkan om den inte har motståndskraft mot fraktur."

Ritchie, en senior vetenskapsman vid Materials Sciences Division av Berkeley Lab och en ledande expert på varför material misslyckas, var medförfattare till studien tillsammans med Ashivni Shekhawat, en Miller Research Fellow i sin grupp. Tillsammans utvecklade de en statistisk modell för segheten hos polykristallint grafen för att bättre förstå och förutsäga fel i materialet.

"Det är en matematisk modell som tar hänsyn till materialets nanostruktur, " Sa Ritchie. "Vi finner att styrkan varierar med kornstorleken upp till en viss utsträckning, men viktigast av allt är detta en modell som definierar grafens brottmotstånd."

Seghet, ett material motståndskraft mot brott, och styrka, ett material motstånd mot deformation, är ofta ömsesidigt oförenliga egenskaper. "Ett konstruktionsmaterial måste ha seghet, ", förklarade Ritchie. "Vi använder helt enkelt inte starka material i kritiska strukturer – vi försöker använda tuffa material. När man tittar på en sådan struktur, som ett tryckkärl i en kärnreaktor, den är gjord av ett relativt låghållfast stål, inte ett ultrahöghållfast stål. De hårdaste stålen används för att tillverka verktyg som ett hammarhuvud, men du skulle aldrig använda dem för att tillverka en kritisk struktur på grund av rädslan för katastrofala frakturer."

Som författarna noterar i sin tidning, många av de ledande applikationerna för vilka grafen har föreslagits – som flexibla elektroniska displayer, korrosionsbeständiga beläggningar, och biologiska anordningar—beroende implicit på dess mekaniska egenskaper för strukturell tillförlitlighet.

Även om ren monokristallin grafen kan ha färre defekter, författarna studerade polykristallint grafen eftersom det syntetiseras billigare och vanligare med kemisk ångavsättning. Ritchie är medveten om endast en experimentell mätning av materialets seghet.

"Våra siffror stämde överens med det enda experimentella numret, ", sade han. "I praktiska termer betyder dessa resultat att en fotboll kan placeras på ett enda ark av monokristallin grafen utan att den går sönder. Vilket föremål kan stödjas av ett motsvarande ark av polykristallin grafen? Det visar sig att en fotboll är alldeles för tung, och polykristallint grafen kan bara stödja en pingisboll. Fortfarande anmärkningsvärt för ett enatoms tjockt material, men inte riktigt lika hisnande längre."

Nästa, Shekhawat och Ritchie studerar effekterna av att tillsätta väte till materialet. "Vi vet inte mycket om frakturen av grafen, så vi försöker se om det är känsligt för andra atomer, " sa han. "Vi upptäcker att sprickorna växer lättare i närvaro av väte."