Um grupo de cientistas da Universidade de Osaka, em cooperação com a Kaneka Corporation, avaliou a força de ligação interplanar do grafeno medindo a constante elástica do grafite, demonstrando que a constante elástica da grafite monocristalina (Figura 1, topo) estava acima de 45 gigapascal (GPa), que era maior do que se acreditava convencionalmente. Os resultados de suas pesquisas foram publicados na Physical Review Materials.

O grafite consiste em camadas de grafeno e as camadas são ligadas por meio de forças fracas de van der Waals (vdW), uma atração onipresente entre todas as moléculas. Acreditava-se que a constante elástica do cristal de grafite não ultrapassava 40 GPa.

Isso ocorre porque as constantes elásticas obtidas a partir de experimentos usando grafite pirolítica altamente orientada artificial (HOPG) eram baixas devido a defeitos estruturais na grafite (conforme exemplificado na Figura 1, inferior) e cálculos teóricos também demonstraram que a constante elástica da grafite era inferior a 39 GPa.

Uma vez que uma característica direta de uma interação interplanar é a constante elástica ao longo do eixo c da grafite, que reflete a resistência de ligação entre camadas, a constante elástica do grafite tem sido usada para validar as abordagens teóricas propostas, e sua medição precisa é crítica para entender completamente as interações de vdW.

Neste estudo, A Kaneka Corporation criou uma grafite monocristalina livre de defeitos de alta qualidade ao aquecer filmes finos de poliimida de alta orientação em altas temperaturas; Contudo, era muito difícil medir a constante elástica deste cristal (10 μm de diâmetro, 1μm de espessura) ao longo da direção da espessura.

Assim, a fim de obter experimentalmente a constante elástica da grafite, usando espectroscopia de ultrassom a laser de picossegundo, este grupo aplicou um laser de 1μm de diâmetro à superfície de um grafeno de múltiplas camadas por um 10 trilionésimo de segundo para gerar ultrassom de ultra-alta frequência. Medindo com precisão a velocidade do som da onda longitudinal ao longo da direção da espessura, eles obtiveram a constante elástica.

Embora se tenha pensado que a força de ligação interplanar do grafite era muito fraca, os resultados deste estudo mostraram que ele tinha uma forte resistência de união:a constante elástica era de quase 50 GPa, que não pode ser explicado por teorias convencionais.

Neste estudo, o efeito de correlação de curto alcance fortaleceu seletivamente a superfície de energia potencial (PES). Este PES anarmônico aumentou a constante elástica do grafite. Usando o método ACFDT-RPA + U, eles demonstraram que a constante elástica atingiu 50 GPa devido ao efeito de correlação de curto alcance.

O autor principal KUSAKABE Koichi diz:"Nosso grupo de pesquisa mostra que o grafite exibe sua superioridade em um estado altamente cristalino. Nós criamos alta qualidade, grafite de alta cristalinidade, que tem uma força de ligação interplanar mais forte do que se acreditava anteriormente. A aplicação de técnicas de medição ultrassônica a este filme fino de grafite monocristalino sem defeitos levará à produção de sensores altamente sensíveis para identificar matéria biológica, como proteínas em testes não destrutivos. "