Una imagen de microscopio electrónico muestra una fisura previa en una hoja de grafeno suspendida que se utiliza para medir la resistencia general de la hoja en una prueba en la Universidad de Rice. Los científicos de Rice y Georgia Tech realizaron experimentos y cálculos teóricos y encontraron que el grafeno, en gran parte promocionado por su fuerza física superior, es tan fuerte como su punto más débil. Crédito:Los nanomateriales, Laboratorio de nanomecánica y nanodispositivos / Rice University
(Phys.org) —No hay duda de que el grafeno es fuerte. Pero una nueva investigación de la Universidad de Rice y el Instituto de Tecnología de Georgia debería impulsar a los fabricantes a mirar un poco más a fondo mientras consideran el material milagroso para las aplicaciones.
La hoja de carbono de un átomo de espesor descubierta en este siglo se promociona no solo por sus propiedades eléctricas, sino también por su fuerza física y flexibilidad. Los enlaces entre los átomos de carbono son bien conocidos como los más fuertes de la naturaleza, por lo que una hoja perfecta de grafeno debería resistir casi cualquier cosa. El refuerzo de materiales compuestos se encuentra entre las aplicaciones potenciales del material.
Pero los científicos de materiales saben que la perfección es difícil de lograr. Los investigadores Jun Lou de Rice y Ting Zhu de Georgia Tech han medido la resistencia a la fractura del grafeno imperfecto por primera vez y han descubierto que es algo frágil. Si bien sigue siendo muy útil, el grafeno es tan fuerte como su eslabón más débil, que determinaron que era "sustancialmente menor" que la fuerza intrínseca del grafeno.
"El grafeno tiene propiedades físicas excepcionales, pero para usarlo en aplicaciones reales, tenemos que entender la fuerza útil del grafeno de gran superficie, que está controlado por la tenacidad de la fractura, "Dijo Zhu.
Los investigadores informaron en la revista Comunicaciones de la naturaleza los resultados de las pruebas en las que separaron físicamente el grafeno para ver cuánta fuerza necesitaría. Específicamente, querían ver si el grafeno sigue la teoría centenaria de Griffith que cuantifica la resistencia útil de los materiales frágiles.
Lo hace, Dijo Lou. "Notablemente, en este caso, la energía termodinámica todavía gobierna, " él dijo.
Las imperfecciones en el grafeno disminuyen drásticamente su fuerza, con un límite superior de aproximadamente 100 gigapascales (GPa) para un grafeno perfecto medido previamente por nanoindentación, según pruebas físicas en Rice y simulaciones de dinámica molecular en Georgia Tech. Es importante que los ingenieros lo comprendan mientras piensan en el uso del grafeno para la electrónica flexible. material compuesto y otras aplicaciones en las que las tensiones sobre defectos microscópicos podrían provocar fallos.
Se suspendió una hoja de grafeno previamente agrietada y se separó en una plataforma cargada por resorte para medir cuánta fuerza muestra una pieza defectuosa de grafeno. Los científicos de Rice University y Georgia Tech encontraron que el grafeno es tan fuerte como su punto más débil. Debido a que la mayoría del grafeno tiene defectos, es probable que su fuerza real sea significativamente menor que la fuerza intrínseca de una hoja perfecta del material de carbono de un átomo de espesor. Crédito:Los nanomateriales, Laboratorio de nanomecánica y nanodispositivos / Rice University
El criterio de Griffith desarrollado por un ingeniero británico durante la Primera Guerra Mundial describe la relación entre el tamaño de una grieta en un material y la fuerza requerida para hacer crecer esa grieta. Por último, AUTOMÓVIL CLUB BRITÁNICO. Griffith esperaba entender por qué fallan los materiales frágiles.
Grafeno resulta, no es diferente de las fibras de vidrio probadas por Griffith.
"Todo el mundo piensa que el enlace carbono-carbono es el enlace más fuerte de la naturaleza, entonces el material debe ser muy bueno, "Lou dijo." Pero eso ya no es cierto, una vez que tenga esos defectos. Cuanto más grande sea la hoja, cuanto mayor sea la probabilidad de defectos. Eso es muy conocido en la comunidad cerámica ".
Un defecto puede ser tan pequeño como un átomo que falta en la red hexagonal de grafeno. Pero para una prueba del mundo real, los investigadores tuvieron que hacer un defecto propio, un pre-crack, que realmente podían ver. "Sabemos que habrá poros y otros defectos en el grafeno, ", dijo." El pre-crack eclipsa esos defectos para convertirse en el punto más débil, así sé exactamente dónde ocurrirá la fractura cuando la tiremos.
"La resistencia del material al crecimiento de grietas, la tenacidad a la fractura, es lo que estamos midiendo aquí, y esa es una propiedad de ingeniería muy importante, " él dijo.
La simple configuración del experimento requirió varios años de trabajo para superar las dificultades técnicas, Dijo Lou. Para suspenderlo en una pequeña plataforma de resorte en voladizo similar a una sonda de microscopía de fuerza atómica (AFM), una hoja de grafeno tenía que estar limpia y seca para que se adhiriera (a través de la fuerza de van der Waals) al escenario sin comprometer el movimiento del escenario necesario para la prueba. Una vez montado, los investigadores utilizaron un haz de iones enfocado para cortar una fisura previa de menos del 10 por ciento del ancho en la sección de micrones de grafeno suspendido. Luego tiraron el grafeno por la mitad, midiendo la fuerza requerida.
Ting Zhu, Derecha, profesor asociado en la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech, trabaja con estudiantes graduados Feifei Fan, sentado y Zhi Zeng para calcular la tenacidad a la fractura del grafeno que se ha agrietado previamente. Los cálculos y experimentos físicos de Georgia Tech en la Universidad de Rice llevaron a la conclusión de que el grafeno, la capa de carbono de un átomo, es tan fuerte como su eslabón más débil. Crédito:Instituto de Tecnología de Georgia
While the Rice team was working on the experiment, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.
"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."
The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.
"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."
Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."
