p Em um novo estudo, publicado em Ciência 31 de maio, 2013, Pesquisadores da Columbia Engineering demonstram que o grafeno, mesmo se costurado a partir de muitos pequenos grãos cristalinos, é quase tão forte quanto o grafeno em sua forma cristalina perfeita. Este trabalho resolve uma contradição entre simulações teóricas, que previu que os limites de grãos podem ser fortes, e experimentos anteriores, o que indicava que eles eram muito mais fracos do que a rede perfeita. p O grafeno consiste em uma única camada atômica de carbono, dispostos em uma estrutura de favo de mel. "Nosso primeiro Ciência papel, Em 2008, estudou a força que o grafeno pode alcançar se não tiver defeitos - sua força intrínseca, "diz James Hone, professor de engenharia mecânica, que liderou o estudo com Jeffrey Kysar, professor de engenharia mecânica. "Mas sem defeitos, o grafeno puro existe apenas em áreas muito pequenas. As folhas de grandes áreas necessárias para as aplicações devem conter muitos grãos pequenos conectados nos limites dos grãos, e não estava claro o quão fortes eram esses limites de grãos. Esse, nosso segundo Ciência papel, relatórios sobre a resistência de filmes de grafeno de grande área cultivados usando deposição química de vapor (CVD), e estamos animados em dizer que o grafeno está de volta e mais forte do que nunca. "

p O estudo verifica que os métodos comumente usados ​​para o pós-processamento de grafeno cultivado com CVD enfraquecem os limites dos grãos, resultando na força extremamente baixa observada em estudos anteriores. A equipe de engenharia da Columbia desenvolveu um novo processo que evita qualquer dano do grafeno durante a transferência. "Substituímos um agente de corrosão diferente e conseguimos criar amostras de teste sem prejudicar o grafeno, "observa o autor principal do artigo, Gwan-Hyoung Lee, um pós-doutorado no laboratório Hone. "Nossas descobertas corrigem claramente o consenso equivocado de que os limites dos grãos do grafeno são fracos. Esta é uma ótima notícia porque o grafeno oferece uma infinidade de oportunidades tanto para pesquisas científicas fundamentais quanto para aplicações industriais."

p Em sua forma cristalina perfeita, grafeno (uma camada de carbono de um átomo de espessura) é o material mais forte já medido, conforme relatado pela equipe de engenharia da Columbia em Ciência em 2008 - tão forte que, como Hone observou, "seria necessário um elefante, equilibrado em um lápis, para romper uma folha de grafeno da espessura de Saran Wrap. "Para o primeiro estudo, a equipe obteve pequena, flocos de grafeno estruturalmente perfeitos por esfoliação mecânica, ou peeling mecânico, de um cristal de grafite. Mas a esfoliação é um processo demorado que nunca será prático para qualquer uma das muitas aplicações potenciais do grafeno que requerem produção industrial em massa.

p Atualmente, os cientistas podem cultivar folhas de grafeno tão grandes quanto uma tela de televisão usando deposição química de vapor (CVD), em que camadas únicas de grafeno são cultivadas em substratos de cobre em um forno de alta temperatura. Uma das primeiras aplicações do grafeno pode ser como uma camada condutora em visores flexíveis.

p "Mas o grafeno CVD é 'costurado' a partir de muitos pequenos grãos cristalinos - como uma colcha - nos limites dos grãos que contêm defeitos na estrutura atômica, "Kysar explica." Esses limites de grão podem limitar severamente a força do grafeno de grandes áreas se eles quebrarem muito mais facilmente do que a estrutura de cristal perfeita, e por isso tem havido um grande interesse em entender o quão fortes eles podem ser. "

p A equipe de engenharia da Columbia queria descobrir o que estava tornando o grafeno CVD tão fraco. Ao estudar as técnicas de processamento usadas para criar suas amostras para teste, eles descobriram que o produto químico mais comumente usado para remover o substrato de cobre também causa danos ao grafeno, degradando severamente sua força.

p Seus experimentos demonstraram que o grafeno CVD com grãos grandes é exatamente tão forte quanto o grafeno esfoliado, mostrando que sua estrutura de cristal é tão perfeita. E, mais surpreendentemente, seus experimentos também mostraram que o grafeno CVD com pequenos grãos, mesmo quando testado bem em um limite de grão, é cerca de 90% tão forte quanto o cristal ideal.

p "Este é um resultado empolgante para o futuro do grafeno, porque fornece evidências experimentais de que a força excepcional que possui na escala atômica pode persistir até amostras de polegadas ou mais de tamanho, "diz Hone." Esta força será inestimável à medida que os cientistas continuam a desenvolver novos componentes eletrônicos flexíveis e materiais compostos ultra-fortes. "

p Forte, o grafeno de grande área pode ser usado para uma ampla variedade de aplicações, como componentes eletrônicos flexíveis e componentes de reforço - potencialmente, uma tela de televisão que se enrola como um pôster ou composições ultra-fortes que poderiam substituir a fibra de carbono. Ou, os pesquisadores especulam, uma ideia de ficção científica de um elevador espacial que poderia conectar um satélite em órbita à Terra por um longo cabo que pode consistir em folhas de grafeno CVD, desde o grafeno (e seu material primo, nanotubos de carbono) é o único material com a alta relação resistência-peso necessária para este tipo de aplicação hipotética.

p A equipe também está entusiasmada com o estudo de materiais 2D, como o grafeno. "Muito pouco se sabe sobre os efeitos dos limites de grão em materiais 2D, "Kysar acrescenta." Nosso trabalho mostra que os limites dos grãos em materiais 2D podem ser muito mais sensíveis ao processamento do que em materiais 3D. Isso se deve ao fato de todos os átomos do grafeno serem átomos de superfície, portanto, o dano superficial que normalmente não degradaria a resistência dos materiais 3D pode destruir completamente a resistência dos materiais 2D. No entanto, com o processamento adequado que evita danos à superfície, limites de grão em materiais 2D, especialmente grafeno, pode ser quase tão forte quanto o perfeito, estrutura livre de defeitos. "