Forskare från Rice University har funnit att brottsäker "armeringsjärnsgrafen" är mer än dubbelt så tuff som orörd grafen.

Grafen är ett enatomtjockt ark av kol. På den tvådimensionella skalan, materialet är starkare än stål, men eftersom grafen är så tunt, det är fortfarande föremål för sönderrivning och rivning.

Armeringsjärnsgrafen är analogen i nanoskala av armeringsjärn (armeringsjärn) i betong, där inbäddade stålstänger förstärker materialets styrka och hållbarhet. Armeringsjärnsgrafen, utvecklad av kemisten James Tours Rice lab 2014, använder kolnanorör för förstärkning.

I en ny studie i tidskriften American Chemical Society ACS Nano , Rismaterialforskaren Jun Lou, doktorand och huvudförfattare Emily Hacopian och medarbetare, inklusive turné, stresstestade armeringsjärnsgrafen och fann att nanorörsarmeringsjärn avledde och överbryggade sprickor som annars skulle fortplanta sig i oförstärkt grafen.

Experimenten visade att nanorör hjälper grafen att hålla sig stretchigt och även minska effekterna av sprickor. Det kan vara användbart inte bara för flexibel elektronik utan även elektriskt aktiva bärbara enheter eller andra enheter där stresstolerans, flexibilitet, transparens och mekanisk stabilitet önskas, sa Lou.

Både labbets mekaniska tester och simuleringar av molekylär dynamik av medarbetare vid Brown University avslöjade materialets seghet.

Grafens utmärkta konduktivitet gör det till en stark kandidat för enheter, men dess spröda natur är en nackdel, sa Lou. Hans labb rapporterade för två år sedan att grafen bara är lika stark som dess svagaste länk. Dessa tester visade att styrkan hos orörd grafen var "avsevärt lägre" än dess rapporterade inneboende styrka. I en senare studie, labbet hittade molybdendiselenid, ett annat tvådimensionellt material av intresse för forskare, är också skör.

Tour kontaktade Lou och hans grupp för att utföra liknande tester på armeringsjärnsgrafen, tillverkad genom att spinnbelägga enkelväggiga nanorör på ett kopparsubstrat och odla grafen ovanpå dem via kemisk ångavsättning.

För att stresstesta armeringsjärnsgrafen, Hacopian, Yang och kollegor fick dra i bitar och mäta kraften som applicerades. Genom försök och misstag, labbet utvecklade ett sätt att skära mikroskopiska bitar av materialet och montera det på en testbädd för användning med svepelektron- och transmissionselektronmikroskop.

"Vi kunde inte använda lim, så vi var tvungna att förstå de intermolekylära krafterna mellan materialet och våra testenheter, " sa Hacopian. "Med material som är så ömtåliga, det är verkligen svårt."

Armeringsjärn hindrade inte grafen från ultimata misslyckanden, men nanorören saktade ner processen genom att tvinga sprickor att sick och zack när de fortplantade sig. När kraften var för svag för att helt bryta grafenen, nanorör överbryggade effektivt sprickor och bevarade i vissa fall materialets konduktivitet.

I tidigare tester, Lous labb visade att grafen har en naturlig brottseghet på 4 megapascal. I kontrast, armeringsjärnsgrafen har en genomsnittlig seghet på 10,7 megapascal, han sa.

Simuleringar av studiens medförfattare Huajian Gao och hans team på Brown bekräftade resultaten från de fysiska experimenten. Gaos team fann samma effekter i simuleringar med ordnade rader av armeringsjärn i grafen som de som uppmätts i de fysiska proverna med armeringsjärn pekade åt alla håll.

"Simuleringarna är viktiga eftersom de låter oss se processen i en tidsskala som inte är tillgänglig för oss med mikroskopitekniker, som bara ger oss ögonblicksbilder, "Sade Lou. "The Brown-teamet hjälpte oss verkligen att förstå vad som händer bakom siffrorna."

Han sa att armeringsgrafenresultaten är ett första steg mot karaktäriseringen av många nya material. "Vi hoppas att detta öppnar en riktning som folk kan följa för att konstruera 2D-materialfunktioner för applikationer, " sa Lou.

Hacopian, Yingchao Yang från University of Maine och Bo Ni från Brown University är medförfattare till tidningen. Medförfattare är Yilun Li, Hua Guo av ris, Xing Li från Rice och Zhengzhou University och Qing Chen från Peking University. Lou är professor i materialvetenskap och nanoteknik vid Rice. Turnén är T.T. och W.F. Chao ordförande i kemi och professor i datavetenskap och materialvetenskap och nanoteknik Rice. Gao är Walter H. Annenberg professor i teknik vid Brown.