(Phys.org) —Graphene, la forma de carbono de un solo átomo de espesor, se ha hecho famoso por su extraordinaria fuerza. Pero las hojas menos que perfectas del material muestran una debilidad inesperada, según investigadores de la Universidad Rice en Houston y la Universidad Tsinghua en Beijing.

La kriptonita de este Superman de materiales tiene la forma de un anillo de siete átomos que inevitablemente ocurre en las uniones de los límites de los granos en el grafeno. donde se interrumpe la matriz regular de unidades hexagonales. En estos puntos, bajo tensión, El grafeno policristalino tiene aproximadamente la mitad de la fuerza de las muestras prístinas del material.

Los cálculos del equipo de Rice del físico teórico Boris Yakobson y sus colegas en China se informaron este mes en la revista American Chemical Society. Nano letras . Podrían ser importantes para los científicos de materiales que usan grafeno en aplicaciones donde su fuerza intrínseca es una característica clave. como materiales compuestos y electrónica estirable o flexible.

Láminas de grafeno cultivadas en un laboratorio, a menudo a través de la deposición de vapor químico, casi nunca son arreglos perfectos de hexágonos, Dijo Yakobson. Los dominios de grafeno que comienzan a crecer en un sustrato no están necesariamente alineados entre sí, y cuando estas islas se fusionen, parecen edredones, con patrones que van en todas direcciones.

Las líneas en láminas policristalinas se denominan límites de grano, y los átomos en estos límites ocasionalmente se ven obligados a cambiar la forma en que se unen por las reglas irrompibles de la topología. Los más comunes de los "defectos" en la formación del grafeno estudiados por el grupo de Yakobson son los anillos adyacentes de cinco y siete átomos que son un poco más débiles que los hexágonos que los rodean.

El equipo calculó que los anillos particulares de siete átomos que se encuentran en las uniones de tres islas son los puntos más débiles, donde es más probable que se formen grietas. Estos son los puntos finales de los límites de grano entre las islas y son puntos problemáticos en curso, los investigadores encontraron.

"En el pasado, las personas que estudian lo que sucede en el límite del grano lo veían como una línea infinita, "Dijo Yakobson." Así es más sencillo, computacional y conceptualmente, porque podrían mirar un solo segmento y hacer que represente el todo ".

Pero en el mundo real él dijo, "Estas líneas forman una red. El grafeno suele ser una colcha hecha de muchas piezas. Pensé que deberíamos probar las uniones".

Determinaron mediante simulación de dinámica molecular y un "buen análisis matemático antiguo" que en una colcha de grafeno, los límites de grano actúan como palancas que amplifican la tensión (a través de una dislocación acumulada) y la concentran en el defecto, ya sea donde los tres dominios se encuentran o donde termina un límite de grano entre dos dominios. "Los detalles son complicados pero, básicamente, cuanto más larga sea la palanca, cuanto mayor sea la amplificación en el punto más débil, "Dijo Yakobson." La fuerza se concentra allí, y ahí es donde empieza a romperse ".

"La fuerza en estos cruces inicia las grietas, y se propagan como grietas en un parabrisas, "dijo Vasilii Artyukhov, investigador postdoctoral en Rice y coautor del artículo. "En metales, las grietas se detienen eventualmente porque se vuelven desafiladas a medida que se propagan. Pero en materiales frágiles, eso no sucede. Y el grafeno es un material frágil, por lo que una grieta puede ser muy útil ".

Yakobson dijo que conceptualmente, los cálculos muestran lo que los metalúrgicos reconocen como el efecto Hall-Petch, una medida de la resistencia de materiales cristalinos con límites de grano similares. "Es uno de los pilares de la mecánica de materiales a gran escala, ", dijo." Para el grafeno, a esto lo llamamos un pseudo Hall-Petch, porque el efecto es muy similar aunque el mecanismo es muy diferente.

"Cualquier defecto, por supuesto, le hace algo al material, ", Dijo Yakobson." Pero este hallazgo es importante porque no se puede evitar el efecto en el grafeno policristalino. También es irónico porque los policristales a menudo se consideran cuando se necesitan dominios más grandes. Mostramos que a medida que crece, se vuelve más débil.

"Si necesita un parche de grafeno para el rendimiento mecánico, será mejor que opte por monocristales perfectos o grafeno con dominios bastante pequeños que reduzcan la concentración de estrés ".