Grafeno un material que consta de una sola capa de átomos de carbono, ha sido promocionado como el material más fuerte que existe, 200 veces más fuerte que el acero, más ligero que el papel, y con extraordinarias propiedades mecánicas y eléctricas. Pero, ¿puede estar a la altura de su promesa?

Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía de EE. UU. (Berkeley Lab) han desarrollado la primera teoría estadística conocida sobre la dureza del grafeno policristalino, que se hace con deposición química de vapor, y descubrió que es realmente fuerte (aunque no tan fuerte como el grafeno monocristalino prístino), pero mas importante, su tenacidad, o resistencia a la fractura, es bastante baja. Su estudio, "Dureza y resistencia del grafeno nanocristalino, "fue publicado recientemente en Comunicaciones de la naturaleza .

"Este material ciertamente tiene una resistencia muy alta, pero tiene una dureza particularmente baja:más baja que el diamante y un poco más alta que el grafito puro, ", dijo el científico de Berkeley Lab, Robert Ritchie." Su resistencia extremadamente alta es muy impresionante, pero no podemos utilizar necesariamente esa fuerza a menos que tenga resistencia a la fractura ".

Ritchie, un científico senior en la División de Ciencias de los Materiales de Berkeley Lab y un experto líder en por qué fallan los materiales, fue coautor del estudio junto con Ashivni Shekhawat, un Miller Research Fellow en su grupo. Juntos desarrollaron un modelo estadístico de la tenacidad del grafeno policristalino para comprender y predecir mejor las fallas en el material.

"Es un modelo matemático que tiene en cuenta la nanoestructura del material, ", Dijo Ritchie." Encontramos que la fuerza varía con el tamaño del grano hasta cierto punto, pero lo más importante es que este es un modelo que define la resistencia a la fractura del grafeno ".

Tenacidad, la resistencia de un material a la fractura, y fuerza, la resistencia de un material a la deformación, a menudo son propiedades mutuamente incompatibles. "Un material estructural debe tener tenacidad, "Explicó Ritchie." Simplemente no usamos materiales fuertes en estructuras críticas, tratamos de usar materiales duros. Cuando miras una estructura así, como un recipiente a presión de un reactor nuclear, está hecho de un acero de resistencia relativamente baja, no es un acero de ultra alta resistencia. Los aceros más duros se utilizan para fabricar herramientas como la cabeza de un martillo, pero nunca los usaría para fabricar una estructura crítica por temor a una fractura catastrófica ".

Como señalan los autores en su artículo, muchas de las aplicaciones de vanguardia para las que se ha sugerido el grafeno, como pantallas electrónicas flexibles, revestimientos resistentes a la corrosión, y dispositivos biológicos:dependen implícitamente de sus propiedades mecánicas para la confiabilidad estructural.

Aunque el grafeno monocristalino puro puede tener menos defectos, los autores estudiaron el grafeno policristalino, ya que se sintetiza de forma más económica y común con la deposición química de vapor. Ritchie solo conoce una medida experimental de la tenacidad del material.

"Nuestros números fueron consistentes con ese número experimental, ", dijo." En términos prácticos, estos resultados significan que una pelota de fútbol se puede colocar en una sola hoja de grafeno monocristalino sin romperla. ¿Qué objeto puede ser soportado por una hoja correspondiente de grafeno policristalino? Resulta que un balón de fútbol pesa demasiado, y el grafeno policristalino solo puede soportar una pelota de ping pong. Aún notable para un material de un átomo de espesor, pero ya no es tan impresionante ".

Próximo, Shekhawat y Ritchie están estudiando los efectos de agregar hidrógeno al material. "No sabemos mucho sobre la fractura del grafeno, por lo que estamos tratando de ver si es sensible a otros átomos, ", dijo." Estamos encontrando que las grietas crecen más fácilmente en presencia de hidrógeno ".