Onderzoekers ontdekken onvoorziene zwakte in vellen grafeen | Grafeen (graphene)
Onderzoekers ontdekken onvoorziene zwakte in vellen grafeen

Grafeen is beroemd geworden om zijn buitengewone sterkte. Maar minder-dan-perfecte vellen van het materiaal tonen onvoorziene zwakte volgens onderzoekers van Rice University en Tsinghua University.

Grafeen is gevormd uit een vel van koolstofatomen, 1 (atoom) hoog, gerangschikt in een zeshoekig patroon en vaak geroemd om zijn buitensporige sterkte. Wetenschappers van Rice University brachten echter aan het licht wat er aan de rand van de vellen gebeurd. Wanneer de laag stopt, wat hoeft op een zeker punt, dan worden de zeshoeken of de perfecte hexagonale structuur onderbroken. Het kryptoniet tot deze superman van materialen komt in de vorm van een vijf of zeven-atoom ring die onvermijdelijk optreedt bij de verbindingspunten van korrelgrenzen in grafeen. Met die punten onder spanning verliest polykristallijn grafeen ongeveer de helft van de sterkte van oorspronkelijke monsters van het materiaal.

De berekeningen van het Rice team van theoretisch natuurkundige Boris Yakobson en zijn collega’s in China werden deze maand in het American Chemical Society tijdschrift Nano Letters gemeld. De berekeningen kunnen van belang zijn voor materialen wetenschappers die met behulp van grafeen toepassingen willen bouwen waar de intrinsieke kracht een belangrijke rol speelt, zoals bij composietmaterialen en rekbare of flexibele elektronica.

Labgekweekte vellen grafeen, vaak via ‘chemical vapor deposition’ of CVD zijn bijna nooit perfecte reeksen van zeshoeken, zei Yakobson. Gebieden van grafeen die beginnen te groeien op een substraat zijn niet noodzakelijk perfect uitgelijnd met elkaar en wanneer deze eilanden samenvoegen lijken ze op quilts, met patronen die in elke richting gaan.

De lijnen in polykristallijne vellen worden korrelgrenzen genoemd, en de atomen aan deze grenzen worden soms genoodzaakt de wijze waarop zij binden te veranderen door de onverbrekelijke regels van de topologie. De meest voorkomende van de “afwijkingen” in grafeen formatie bestudeerd door Yakobson’s groep zijn aangrenzende vijf-en zeven-atoom ringen die iets zwakker zijn dan de zeshoeken rond hen.

Het team berekende dat de betreffende zeven-atoom ringen gevonden bij de verbindingen van drie eilanden de zwakste punten zijn, waar de scheuren het meest waarschijnlijk vormen.
Dit zijn de eindpunten van korrelgrenzen tussen de eilanden en zijn lopende brandhaarden, deelden de onderzoekers mee.

“Voorheen beschouwden personen die bestuderen wat er op de korrelgrenzen gebeurt dit als een oneindige lijn,” zei Yakobson. “Het is eenvoudiger op die manier, computationeel en conceptueel, omdat ze gewoon konden kijken naar een enkel segment en het geheel laten vertegenwoordigen.”

“Maar in de echte wereld”, zei hij, “vormen deze lijnen een netwerk. Grafeen is meestal een quilt gemaakt van vele stukken. Ik dacht dat we de knooppunten moet testen.”

De details zijn ingewikkeld, vooziet Yakobson, maar het komt er op neer hoe langer de hefboom is hoe groter de versterking op het zwakste punt. “De kracht is daar geconcentreerd en daar zal het beginnen breken.”

“Kracht op deze verbindingen start de scheuren en zij propageren als scheuren in een windscherm” zei Vasilii Artyukhov, een postdoctoraal onderzoeker aan Rice en co-auteur van het document, vergelijkbaar met het effect als een kiezel je wagen raakt en een barst onstaat die zijn weg baant doorheen de voorruit.
“In metalen stoppen scheuren uiteindelijk omdat ze bot worden als ze zich voortplanten. Maar in broze materialen gebeurt dat niet. En grafeen is een broos materiaal, danig dat een scheur een heel lange weg kan afleggen.”

“Elk gebrek doet natuurlijk iets met het materiaal” zei Yakobson. “Maar deze bevinding is belangrijk omdat je het effect in polykristallijne grafeen niet kan vermijden. Het is ook ironisch want polykristallen worden vaak overwogen als grotere gebieden nodig zijn. We zien dat als het groter wordt, het zwakker wordt.

“Als je een flard van grafeen voor mechanische prestaties nodig hebt kun je beter gaan voor perfecte monokristallen of grafeen met vrij kleine gebieden die stressophoping verminderen.”

Bron: materialsviews.com


3D print schaalmodel structuur grafeen