p (Phys.org) —Graphene, a forma de carbono com a espessura de um único átomo, tornou-se famoso por sua extraordinária força. Mas folhas menos do que perfeitas do material mostram uma fraqueza inesperada, de acordo com pesquisadores da Rice University em Houston e da Tsinghua University em Pequim. p A criptonita para este Super-homem de materiais está na forma de um anel de sete átomos que ocorre inevitavelmente nas junções dos limites dos grãos no grafeno, onde a matriz regular de unidades hexagonais é interrompida. Nestes pontos, sob tensão, o grafeno policristalino tem cerca de metade da resistência das amostras imaculadas do material.

p Cálculos da equipe de Rice do físico teórico Boris Yakobson e seus colegas na China foram relatados este mês no jornal American Chemical Society Nano Letras . Eles podem ser importantes para os cientistas de materiais que usam o grafeno em aplicações onde sua força intrínseca é uma característica chave, como materiais compostos e eletrônicos elásticos ou flexíveis.

p Folhas de grafeno cultivadas em um laboratório, muitas vezes via deposição de vapor químico, quase nunca são matrizes perfeitas de hexágonos, Yakobson disse. Domínios de grafeno que começam a crescer em um substrato não estão necessariamente alinhados uns com os outros, e quando essas ilhas se fundem, eles se parecem com colchas, com padrões indo em todas as direções.

p As linhas em folhas policristalinas são chamadas de limites de grão, e os átomos nessas fronteiras são ocasionalmente forçados a mudar a maneira como se ligam pelas regras inquebráveis ​​da topologia. O mais comum dos "defeitos" na formação do grafeno estudado pelo grupo de Yakobson são anéis adjacentes de cinco e sete átomos que são um pouco mais fracos do que os hexágonos ao seu redor.

p A equipe calculou que os anéis específicos de sete átomos encontrados nas junções de três ilhas são os pontos mais fracos, onde rachaduras são mais prováveis ​​de se formar. Estes são os pontos finais dos limites de grãos entre as ilhas e são focos de problemas contínuos, os pesquisadores descobriram.

p "No passado, pessoas estudando o que acontece na fronteira do grão olharam para ela como uma linha infinita, "Yakobson disse." É mais simples assim, computacionalmente e conceitualmente, porque eles poderiam apenas olhar para um único segmento e fazê-lo representar o todo. "

p Mas no mundo real, ele disse, "essas linhas formam uma rede. O grafeno é geralmente uma colcha feita de muitas peças. Achei que devíamos testar as junções."

p Eles determinaram através de simulação de dinâmica molecular e "boa e velha análise matemática" que em uma colcha de grafeno, os contornos dos grãos atuam como alavancas que amplificam a tensão (por meio de um acúmulo de deslocamento) e a concentram no defeito onde os três domínios se encontram ou onde termina um contorno de grãos entre dois domínios. "Os detalhes são complicados, mas, basicamente, quanto mais longa a alavanca, quanto maior a amplificação no ponto mais fraco, "Yakobson disse." A força está concentrada lá, e é aí que começa a quebrar. "

p "A força nessas junções inicia as rachaduras, e se propagam como rachaduras em um pára-brisa, "disse Vasilii Artyukhov, pesquisador de pós-doutorado na Rice e co-autor do artigo. "Em metais, as rachaduras param eventualmente porque se tornam cegas à medida que se propagam. Mas em materiais frágeis, isso não acontece. E o grafeno é um material quebradiço, então uma rachadura pode ir muito longe. "

p Yakobson disse que conceitualmente, os cálculos mostram o que os metalúrgicos reconhecem como o Efeito Hall-Petch, uma medida da resistência de materiais cristalinos com limites de grão semelhantes. "É um dos pilares da mecânica dos materiais em grande escala, "disse ele." Para o grafeno, chamamos isso de um pseudo Hall-Petch, porque o efeito é muito semelhante, embora o mecanismo seja muito diferente.

p "Qualquer defeito, claro, faz algo com o material, "Yakobson disse." Mas esta descoberta é importante porque você não pode evitar o efeito no grafeno policristalino. Também é irônico, porque os policristais são frequentemente considerados quando domínios maiores são necessários. Mostramos que, à medida que fica maior, fica mais fraco.

p "Se você precisa de um patch de grafeno para desempenho mecânico, é melhor você optar por monocristais ou grafeno perfeitos com domínios pequenos que reduzem a concentração de estresse. "