En un nuevo estudio, publicado en Ciencias 31 de Mayo, 2013, Los investigadores de Columbia Engineering demuestran que el grafeno, incluso si están cosidos a partir de muchos pequeños granos cristalinos, es casi tan fuerte como el grafeno en su forma cristalina perfecta. Este trabajo resuelve una contradicción entre simulaciones teóricas, que predijo que los límites de grano pueden ser fuertes, y experimentos anteriores, lo que indicaba que eran mucho más débiles que la celosía perfecta.

El grafeno consta de una sola capa atómica de carbono, dispuestas en una celosía alveolar. "Nuestro primer Ciencias papel, en 2008, estudió la fuerza que el grafeno puede lograr si no tiene defectos:su fuerza intrínseca, "dice James Hone, profesor de ingeniería mecánica, quien dirigió el estudio con Jeffrey Kysar, profesor de ingeniería mecánica. "Pero sin defectos, el grafeno prístino existe solo en áreas muy pequeñas. Las hojas de gran superficie necesarias para las aplicaciones deben contener muchos granos pequeños conectados en los límites de los granos, y no estaba claro qué tan fuertes eran esos límites de grano. Esta, nuestro segundo Ciencias papel, informes sobre la resistencia de las películas de grafeno de gran superficie cultivadas mediante deposición química de vapor (CVD), y estamos emocionados de poder decir que el grafeno ha vuelto y es más fuerte que nunca ".

El estudio verifica que los métodos comúnmente utilizados para el posprocesamiento del grafeno cultivado por CVD debilitan los límites de los granos, resultando en la resistencia extremadamente baja vista en estudios previos. El equipo de ingeniería de Columbia desarrolló un nuevo proceso que evita cualquier daño del grafeno durante la transferencia. "Lo sustituimos por un grabador diferente y pudimos crear muestras de prueba sin dañar el grafeno, "señala el autor principal del artículo, Gwan-Hyoung Lee, becario postdoctoral en el laboratorio Hone. "Nuestros hallazgos corrigen claramente el consenso erróneo de que los límites de grano del grafeno son débiles. Esta es una gran noticia porque el grafeno ofrece una gran cantidad de oportunidades tanto para la investigación científica fundamental como para las aplicaciones industriales".

En su perfecta forma cristalina, el grafeno (una capa de carbono de un átomo de espesor) es el material más fuerte jamás medido, como informó el equipo de ingeniería de Columbia en Ciencias en 2008, tan fuerte que como observó Hone, "se necesitaría un elefante, en equilibrio sobre un lápiz, romper una hoja de grafeno del grosor de Saran Wrap ". Para el primer estudio, el equipo obtuvo pequeño, escamas de grafeno estructuralmente perfectas por exfoliación mecánica, o peeling mecánico, de un cristal de grafito. Pero la exfoliación es un proceso que requiere mucho tiempo y que nunca será práctico para ninguna de las muchas aplicaciones potenciales del grafeno que requieren una producción industrial en masa.

En la actualidad, los científicos pueden cultivar láminas de grafeno del tamaño de una pantalla de televisión mediante el uso de la deposición química de vapor (CVD), en el que se cultivan capas individuales de grafeno sobre sustratos de cobre en un horno de alta temperatura. Una de las primeras aplicaciones del grafeno puede ser como capa conductora en pantallas flexibles.

"Pero el grafeno CVD está 'cosido' a partir de muchos pequeños granos cristalinos, como una colcha, en los límites de los granos que contienen defectos en la estructura atómica, "Kysar explica." Estos límites de grano pueden limitar severamente la fuerza del grafeno de área grande si se rompen con mucha más facilidad que la red cristalina perfecta. y por eso ha habido un gran interés en comprender qué tan fuertes pueden ser ".

El equipo de ingeniería de Columbia quería descubrir qué hacía que el grafeno CVD fuera tan débil. Al estudiar las técnicas de procesamiento utilizadas para crear sus muestras para las pruebas, descubrieron que el producto químico más comúnmente utilizado para eliminar el sustrato de cobre también daña el grafeno, degradando severamente su fuerza.

Sus experimentos demostraron que el grafeno CVD con granos grandes es exactamente tan fuerte como el grafeno exfoliado. mostrando que su celosía de cristal es igual de perfecta. Y, más sorprendentemente, sus experimentos también mostraron que el grafeno CVD con granos pequeños, incluso cuando se prueba justo en el límite de un grano, es aproximadamente un 90% más fuerte que el cristal ideal.

"Este es un resultado emocionante para el futuro del grafeno, porque proporciona evidencia experimental de que la fuerza excepcional que posee a escala atómica puede persistir hasta muestras de pulgadas o más de tamaño, ", dice Hone." Esta fortaleza será invaluable a medida que los científicos continúen desarrollando nuevos componentes electrónicos flexibles y materiales compuestos ultrafuertes ".

Fuerte, El grafeno de gran superficie se puede utilizar para una amplia variedad de aplicaciones, como electrónica flexible y componentes de refuerzo, potencialmente, una pantalla de televisión que se enrolla como un póster o materiales compuestos ultrafuertes que podrían reemplazar a la fibra de carbono. O, los investigadores especulan, una idea de ciencia ficción de un ascensor espacial que podría conectar un satélite en órbita a la Tierra mediante un cable largo que podría consistir en láminas de grafeno CVD, ya que el grafeno (y su material primo, nanotubos de carbono) es el único material con la alta relación resistencia-peso requerida para este tipo de aplicación hipotética.

El equipo también está entusiasmado con el estudio de materiales 2D como el grafeno. "Se sabe muy poco sobre los efectos de los límites de grano en materiales 2D, "Agrega Kysar." Nuestro trabajo muestra que los límites de grano en materiales 2D pueden ser mucho más sensibles al procesamiento que en los materiales 3D. Esto se debe a que todos los átomos del grafeno son átomos de superficie, por lo que el daño de la superficie que normalmente no degradaría la resistencia de los materiales 3D puede destruir por completo la resistencia de los materiales 2D. Sin embargo, con un procesamiento adecuado que evite daños en la superficie, límites de grano en materiales 2D, especialmente el grafeno, puede ser casi tan fuerte como el perfecto, estructura libre de defectos ".