El grafeno es una paradoja. Es el material más delgado conocido por la ciencia, pero también uno de los más fuertes. Ahora, Una investigación de la Universidad de Toronto de Ingeniería muestra que el grafeno también es muy resistente a la fatiga, capaz de soportar más de mil millones de ciclos de alto estrés antes de romperse.

El grafeno se asemeja a una hoja de anillos hexagonales entrelazados, similar al patrón que puede ver en los azulejos del piso del baño. En cada esquina hay un solo átomo de carbono unido a sus tres vecinos más cercanos. Si bien la hoja podría extenderse lateralmente sobre cualquier área, tiene un solo átomo de espesor.

La fuerza intrínseca del grafeno se ha medido en más de 100 gigapascales, entre los valores más altos registrados para cualquier material. Pero los materiales no siempre fallan porque la carga excede su resistencia máxima. Las tensiones que son pequeñas pero repetitivas pueden debilitar los materiales al causar dislocaciones microscópicas y fracturas que se acumulan lentamente con el tiempo. un proceso conocido como fatiga.

"Para entender la fatiga, imagina doblando una cuchara de metal, "dice el profesor Tobin Filleter, uno de los autores principales del estudio, que fue publicado recientemente en Materiales de la naturaleza . "La primera vez que lo dobla, simplemente se deforma. Pero si sigues trabajando de un lado a otro, eventualmente se partirá en dos ".

El equipo de investigación, formado por Filleter, los profesores de ingeniería de la Universidad de Toronto Chandra Veer Singh y Yu Sun, Sus estudiantes, y colaboradores de la Universidad de Rice, querían saber cómo el grafeno resistiría tensiones repetidas. Su enfoque incluyó tanto experimentos físicos como simulaciones por computadora.

"En nuestras simulaciones atomísticas, descubrimos que la carga cíclica puede conducir a reconfiguraciones de enlaces irreversibles en la red de grafeno, causando fallas catastróficas en la carga posterior, "dice Singh, quien, junto con el becario postdoctoral Sankha Mukherjee, dirigió la parte de modelado del estudio. "Este es un comportamiento inusual en el sentido de que mientras los bonos cambian, no hay grietas o dislocaciones obvias, que normalmente se formaría en metales, hasta el momento del fracaso ".

Doctor. candidato Teng Cui, quien es co-supervisado por Filleter y Sun, utilizó el Centro de Nanofabricación de Toronto para construir un dispositivo físico para los experimentos. El diseño consistía en un chip de silicio grabado con medio millón de pequeños orificios de solo unos pocos micrómetros de diámetro. La hoja de grafeno se estiró sobre estos agujeros, como la cabeza de un pequeño tambor.

Usando un microscopio de fuerza atómica, Cui luego bajó una sonda con punta de diamante en el orificio para empujar la hoja de grafeno, aplicando entre el 20 y el 85 por ciento de la fuerza que sabía que rompería el material.

"Ejecutamos los ciclos a una velocidad de 100, 000 veces por segundo, "dice Cui." Incluso al 70 por ciento del estrés máximo, el grafeno no se rompió durante más de tres horas, lo que equivale a más de mil millones de ciclos. A niveles más bajos de estrés, algunas de nuestras pruebas duraron más de 17 horas ".

Al igual que con las simulaciones, el grafeno no acumuló grietas u otros signos reveladores de estrés, o se rompió o no lo hizo.

"A diferencia de los metales, no hay daño progresivo durante la carga de fatiga de grafeno, ", dice Sun." Su falla es global y catastrófica, confirmando los resultados de la simulación ".

El equipo también probó un material relacionado, óxido de grafeno, que tiene pequeños grupos de átomos como oxígeno e hidrógeno unidos a la parte superior e inferior de la hoja. Su comportamiento a la fatiga se parecía más a los materiales tradicionales, en que el fracaso fue más progresivo y localizado. Esto sugiere que el simple, La estructura regular del grafeno es un contribuyente importante a sus propiedades únicas.

"No hay otros materiales que se hayan estudiado en condiciones de fatiga que se comporten como lo hace el grafeno, ", dice Filleter." Todavía estamos trabajando en algunas teorías nuevas para intentar comprender esto ".

En términos de aplicaciones comerciales, Filleter dice que los compuestos que contienen grafeno, mezclas de plástico convencional y grafeno, ya se están produciendo y utilizando en equipos deportivos como raquetas de tenis y esquís.

En el futuro, tales materiales pueden comenzar a usarse en automóviles o aviones, donde el énfasis en materiales ligeros y resistentes está impulsado por la necesidad de reducir el peso, mejorar la eficiencia del combustible y mejorar el desempeño ambiental.

"Ha habido algunos estudios que sugieren que los compuestos que contienen grafeno ofrecen una mejor resistencia a la fatiga, pero hasta ahora nadie había medido el comportamiento de fatiga del material subyacente, ", dice." Nuestro objetivo al hacer esto era llegar a ese entendimiento fundamental para que en el futuro, podremos diseñar compuestos que funcionen aún mejor ".