En 2008, experimentos en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu en la Universidad de Columbia establecieron grafeno puro, una sola capa de grafito de un solo átomo de espesor, como el material más fuerte conocido por la humanidad. Esto planteó una pregunta para Chris Marianetti, Profesor asistente en el Departamento de Física Aplicada y Matemáticas Aplicadas de Columbia Engineering:¿cómo y por qué se rompe el grafeno?

Usando teoría cuántica y supercomputadoras, Marianetti ha revelado los mecanismos de falla mecánica del grafeno puro bajo tensión de tracción. En un artículo aceptado recientemente para su publicación en la revista Cartas de revisión física , él muestra que, cuando el grafeno está sujeto a una tensión igual en todas las direcciones, se transforma en una nueva estructura que es mecánicamente inestable.

Marianetti dice que este mecanismo de falla es una nueva inestabilidad de fonones en modo suave. Un fonón es un modo vibratorio colectivo de átomos dentro de un cristal, similar a una ola en un líquido. El hecho de que un fonón se vuelva "blando" bajo tensión de tracción significa que el sistema puede reducir su energía distorsionando los átomos a lo largo del modo vibratorio y pasando a una nueva disposición cristalina. Bajo suficiente tensión, el grafeno desarrolla un modo suave particular que hace que la disposición de los átomos de carbono en forma de panal sea impulsada hacia anillos hexagonales aislados. Este nuevo cristal es estructuralmente más débil, resultando en la falla mecánica de la hoja de grafeno.

"Esto es emocionante en muchos niveles diferentes, "Observa Marianetti." Los modos suaves se reconocieron por primera vez en la década de 1960 en el contexto de las transiciones de fase ferroeléctrica, pero nunca se han relacionado directamente con la fractura. Típicamente, Los defectos en un material siempre causarán fallas prematuras, pero la naturaleza prístina del grafeno permite probar nuestra predicción. Ya hemos esbozado algunos experimentos nuevos e interesantes para observar directamente nuestra predicción teórica del modo suave ".

Marianetti agregó que esta es la primera vez que un fonón óptico blando se ha relacionado con una falla mecánica y que, por lo tanto, es probable que este novedoso mecanismo de falla no sea exclusivo del grafeno, sino que pueda prevalecer en otros materiales muy delgados. "Con la nanotecnología cada vez más omnipresente, Comprender la naturaleza del comportamiento mecánico en sistemas de baja dimensión como el grafeno es de gran importancia. Creemos que la tensión puede ser un medio para diseñar las propiedades del grafeno, y por lo tanto, comprender sus límites es fundamental ". La investigación fue financiada por la National Science Foundation.

Los intereses de investigación de Marianetti se encuentran en el uso de la mecánica clásica y cuántica para modelar el comportamiento de los materiales a escala atómica. En particular, se centra en la aplicación de estas técnicas a materiales con potencial de almacenamiento y conversión de energía. Las aplicaciones actuales de su programa de investigación van desde materiales nucleares como el plutonio hasta materiales de baterías recargables como los óxidos de cobalto.