Grafen är en paradox. Det är det tunnaste material som vetenskapen vet, men också en av de starkaste. Nu, forskning från University of Toronto Engineering visar att grafen också är mycket motståndskraftigt mot trötthet - klarar mer än en miljard cykler med hög stress innan det går sönder.

Grafen liknar ett ark med sammanlänkade sexkantiga ringar, liknande det mönster du kan se i badrumsgolvplattor. Vid varje hörn är en enda kolatom bunden till sina tre närmaste grannar. Medan arket kunde sträcka sig i sidled över vilket område som helst, den är bara en atom tjock.

Grafens egenstyrka har mätts till mer än 100 gigapascal, bland de högsta värdena som registrerats för material. Men material misslyckas inte alltid eftersom lasten överskrider sin maximala styrka. Spänningar som är små men repetitiva kan försvaga material genom att orsaka mikroskopiska dislokationer och frakturer som långsamt ackumuleras över tiden, en process som kallas trötthet.

"För att förstå trötthet, tänk dig att böja en metallsked, "säger professor Tobin Filleter, en av de höga författarna till studien, som nyligen publicerades i Naturmaterial . "Första gången du böjer det, det deformeras bara. Men om du fortsätter att arbeta fram och tillbaka, så småningom kommer det att gå i två. "

Forskargruppen - bestående av Filleter, kollegor vid University of Toronto Engineering professorer Chandra Veer Singh och Yu Sun, sina elever, och medarbetare vid Rice University - ville veta hur grafen skulle klara upprepade påfrestningar. Deras tillvägagångssätt inkluderade både fysiska experiment och datasimuleringar.

"I våra atomistiska simuleringar, vi fann att cyklisk laddning kan leda till irreversibla bindningsrekonfigurationer i grafengitteret, orsakar katastrofalt fel vid efterföljande laddning, säger Singh, som tillsammans med postdoktor Sankha Mukherjee ledde modelleringsdelen av studien. "Detta är ovanligt beteende genom att medan bindningarna ändras, det finns inga uppenbara sprickor eller dislokationer, som vanligtvis skulle bildas i metaller, tills det misslyckades. "

Ph.D. kandidat Teng Cui, som samövervakas av Filleter och Sun, använde Toronto Nanofabrication Center för att bygga en fysisk enhet för experimenten. Designen bestod av ett kiselchips etsat med en halv miljon små hål med bara några mikrometer i diameter. Grafenarket sträcktes ut över dessa hål, som huvudet på en liten trumma.

Med hjälp av ett atomkraftmikroskop, Cui sänkte sedan en diamant-tippad sond i hålet för att trycka på grafenarket, applicera allt från 20 till 85 procent av den kraft som han visste skulle bryta materialet.

"Vi körde cyklerna med en hastighet av 100, 000 gånger per sekund, "säger Cui." Även vid 70 procent av den maximala stressen, grafen gick inte sönder på mer än tre timmar, som räknas till över en miljard cykler. Vid lägre stressnivåer, några av våra prövningar kördes i mer än 17 timmar. "

Som med simuleringarna, grafen ackumulerade inte sprickor eller andra tecken på stress-det antingen gick sönder eller inte.

"Till skillnad från metaller, det finns ingen progressiv skada under trötthetsbelastning av grafen, "säger Sun." Dess misslyckande är globalt och katastrofalt, bekräftar simuleringsresultat. "

Teamet testade också ett relaterat material, grafenoxid, som har små grupper av atomer som syre och väte bundna till både toppen och botten av arket. Dess trötthetsbeteende var mer som traditionella material, genom att misslyckandet var mer progressivt och lokaliserat. Detta tyder på att det enkla, Den vanliga strukturen för grafen är en viktig bidragande faktor till dess unika egenskaper.

"Det finns inga andra material som har studerats under utmattningsförhållanden som beter sig som grafen gör, "säger Filleter." Vi arbetar fortfarande med några nya teorier för att försöka förstå detta. "

När det gäller kommersiella tillämpningar, Filleter säger att grafeninnehållande kompositer-blandningar av konventionell plast och grafen-redan produceras och används i sportutrustning som tennisracketar och skidor.

I framtiden, sådant material kan börja användas i bilar eller i flygplan, där tyngdpunkten på lätta och starka material drivs av behovet av att minska vikten, förbättra bränsleeffektiviteten och förbättra miljöprestandan.

"Det har gjorts några studier som tyder på att grafeninnehållande kompositer erbjuder förbättrad motståndskraft mot trötthet, men tills nu, ingen hade mätt utmattningsbeteendet hos det underliggande materialet, "säger han." Vårt mål med att göra detta var att nå den grundläggande förståelsen så att i framtiden, vi kommer att kunna designa kompositer som fungerar ännu bättre. "