Un grupo de científicos de la Universidad de Osaka, en cooperación con Kaneka Corporation, evaluó la fuerza de enlace interplanar del grafeno midiendo la constante elástica del grafito, demostrando que la constante elástica del grafito monocristalino (Figura 1, arriba) estaba por encima de 45 gigapascales (GPa), que era más alto de lo que se creía convencionalmente. Los resultados de su investigación se publicaron en Physical Review Materials.

El grafito consta de capas de grafeno y las capas están unidas mediante fuerzas débiles de van der Waals (vdW), una atracción ubicua entre todas las moléculas. Se creía que la constante elástica del cristal de grafito no excedía los 40 GPa.

Esto se debe a que las constantes elásticas obtenidas de experimentos con grafito pirolítico artificial altamente orientado (HOPG) fueron bajas debido a defectos estructurales en el grafito (como se ejemplifica en la Figura 1, abajo) y los cálculos teóricos también demostraron que la constante elástica del grafito era inferior a 39 GPa.

Dado que una característica directa de una interacción interplanar es la constante elástica a lo largo del eje c del grafito, que refleja la fuerza de unión de la capa intermedia, la constante elástica del grafito se ha utilizado para validar los enfoques teóricos propuestos, y su medición precisa es fundamental para comprender a fondo las interacciones de vdW.

En este estudio, Kaneka Corporation creó un grafito monocristalino de alta calidad sin defectos calentando películas delgadas de poliimida de alta orientación a altas temperaturas; sin embargo, fue muy difícil medir la constante elástica de este cristal (10 μm de diámetro, 1μm de espesor) a lo largo de la dirección del espesor.

Por lo tanto, para obtener experimentalmente la constante elástica del grafito, utilizando espectroscopia de ultrasonido láser de picosegundos, este grupo aplicó un láser de 1 μm de diámetro a la superficie de un grafeno multicapa durante una 10 billonésima de segundo para generar ultrasonido de ultra alta frecuencia. Midiendo con precisión la velocidad del sonido de la onda longitudinal a lo largo de la dirección del espesor, obtuvieron la constante elástica.

Aunque se pensaba que la fuerza de unión entre planos del grafito era muy débil, Los resultados de este estudio mostraron que tenía una fuerte fuerza de unión:la constante elástica era de casi 50 GPa, que no puede ser explicado por las teorías convencionales.

En este estudio, el efecto de correlación de corto alcance fortaleció selectivamente la superficie de energía potencial (PES). Este PES anarmónico realzó la constante elástica del grafito. Usando el método ACFDT-RPA + U, demostraron que la constante elástica alcanzó 50 GPa debido al efecto de correlación de corto alcance.

El autor principal, KUSAKABE Koichi, dice:"Nuestro grupo de investigación muestra que el grafito exhibe su superioridad en un estado altamente cristalino. Hemos creado grafito de alta cristalinidad, que tiene una fuerza de unión interplanar más fuerte de lo que se creía anteriormente. La aplicación de técnicas de medición ultrasónica a esta delgada película de grafito monocristalino libre de defectos conducirá a la producción de sensores altamente sensibles para identificar materia biológica como proteínas en pruebas no destructivas ".