Grafen är 200 gånger starkare än stål och kan vara så mycket som sex gånger lättare. Bara dessa egenskaper gör det till ett populärt material i tillverkningen. Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign upptäckte nyligen fler egenskaper hos grafenark som kan gynna industrin.

Doktorand Soumendu Bagchi, tillsammans med sin rådgivare Huck Beng Chew vid institutionen för rymdteknik i samarbete med Harley Johnson från Mechanical Sciences and Engineering identifierade hur tvinnade grafenskivor beter sig och deras stabilitet vid olika storlekar och temperaturer.

"Vi koncentrerade oss på två grafenark staplade ovanpå varandra men med en vridningsvinkel, ", sa Bagchi. "Vi gjorde atomistiska simuleringar vid olika temperaturer för olika storlekar av grafenark. Med hjälp av insikter från dessa simuleringar, vi utvecklade en analytisk modell – du kan koppla in vilken arkstorlek som helst, någon vridningsvinkel, och modellen kommer att förutsäga antalet lokala stabila tillstånd den har såväl som den kritiska temperatur som krävs för att nå var och en av dessa stater."

Bagchi förklarade att tvåskiktsgrafen existerar i en otvinnad Bernal-staplad konfiguration, vilket också är den upprepade staplingssekvensen av kristallin hexagonal grafit. När tvåskiktsgrafen vrids, den vill vrida sig tillbaka till sitt ursprungliga tillstånd eftersom det är det mest stabila tillståndet och placeringen av atomerna.

"När den vridna atomstrukturen värms upp, den tenderar att rotera tillbaka, men det finns vissa magiska vridningsvinklar vid vilka strukturen förblir stabil under en specifik temperatur. Och, det finns också ett storleksberoende. Det som är spännande med vårt arbete är att beroende på storleken på grafenarket, vi kan förutsäga hur många stabila tillstånd du kommer att ha, de magiska vridningsvinklarna vid dessa stabila tillstånd, såväl som temperaturintervallet som krävs för att vriden grafen ska övergå från ett stabilt tillstånd till ett annat, sa Bagchi.

Enligt Chew, tillverkare har försökt göra grafentransistorer, och vridna grafen-dubbelskikt är kända för att uppvisa spännande elektroniska egenskaper. Vid tillverkning av dessa grafentransistorer, det är viktigt att veta vilken temperatur som kommer att excitera materialet för att uppnå en viss rotation eller mekanisk respons.

"De har vetat att ett grafenark har vissa elektroniska egenskaper, och att lägga till ett andra ark i vinkel ger nya unika egenskaper. Men ett enda atomark är inte lätt att manipulera. I grunden denna studie svarar på frågor om hur tvinnade grafenark beter sig under termisk belastning, och ger insikter i självinriktningsmekanismerna och krafterna på atomnivå. Detta kan potentiellt bana väg för tillverkare att uppnå fin kontroll över vridningsvinkeln för 2D-materialstrukturer. De kan direkt koppla in parametrar i modellen för att förstå de nödvändiga förutsättningarna som krävs för att uppnå ett specifikt vridet tillstånd."

Bagchi sa att ingen har studerat 2D-egenskaperna hos material som detta. Det är en mycket grundläggande studie, och ett som började som ett annat projekt, när han stötte på något ovanligt.

"Han märkte att grafenarken visade ett visst temperaturberoende, ", sa Chew. "Vi undrade varför det betedde sig så här – inte som ett vanligt material.

"I vanliga material, gränssnittet är vanligtvis mycket starkt. Med grafen, gränssnittet är mycket svagt så att lagren kan glida och rotera. Att observera detta intressanta temperaturberoende var inte planerat. Det här är skönheten med upptäckter inom vetenskapen."