Uma imagem de microscópio eletrônico mostra uma pré-rachadura em uma folha suspensa de grafeno usada para medir a resistência geral da folha em um teste na Rice University. Os cientistas da Rice e da Georgia Tech realizaram experimentos e cálculos teóricos e descobriram que o grafeno, amplamente elogiado por sua força física superior, é tão forte quanto seu ponto mais fraco. Crédito:Os Nanomateriais, Nanomecânica e Nanodispositivos Lab / Rice University
(Phys.org) - Não há contestação de que o grafeno é forte. Mas uma nova pesquisa da Rice University e do Georgia Institute of Technology deve levar os fabricantes a olhar um pouco mais a fundo ao considerarem o material milagroso para as aplicações.
A folha de carbono com a espessura de um átomo descoberta neste século é elogiada não apenas por suas propriedades elétricas, mas também por sua força física e flexibilidade. As ligações entre os átomos de carbono são conhecidas como as mais fortes da natureza, portanto, uma folha perfeita de grafeno deve resistir a quase tudo. O reforço de materiais compostos está entre as aplicações potenciais do material.
Mas os cientistas de materiais sabem que a perfeição é difícil de alcançar. Os pesquisadores Jun Lou da Rice e Ting Zhu da Georgia Tech mediram a resistência à fratura do grafeno imperfeito pela primeira vez e descobriram que ele é um tanto frágil. Embora ainda seja muito útil, o grafeno é realmente tão forte quanto seu elo mais fraco, que eles determinaram ser "substancialmente mais baixo" do que a força intrínseca do grafeno.
"O grafeno tem propriedades físicas excepcionais, mas para usá-lo em aplicativos reais, temos que entender a força útil do grafeno de grande área, que é controlada pela tenacidade à fratura, "Zhu disse.
Os pesquisadores relataram na revista Nature Communications os resultados dos testes nos quais eles separaram fisicamente o grafeno para ver quanta força seria necessária. Especificamente, eles queriam ver se o grafeno segue a centenária teoria de Griffith que quantifica a resistência útil de materiais quebradiços.
Sim, Disse Lou. "Notavelmente, nesse caso, a energia termodinâmica ainda governa, " ele disse.
As imperfeições no grafeno diminuem drasticamente sua força - com um limite superior de cerca de 100 gigapascals (GPa) para o grafeno perfeito previamente medido por nanoindentação - de acordo com testes físicos na Rice e simulações de dinâmica molecular na Georgia Tech. Isso é importante para os engenheiros entenderem enquanto pensam sobre o uso de grafeno para eletrônicos flexíveis, material compósito e outras aplicações nas quais tensões em falhas microscópicas podem levar à falha.
Uma folha pré-rachada de grafeno foi suspensa e separada em um estágio com mola para medir a resistência que uma peça defeituosa de grafeno mostra. Cientistas da Rice University e da Georgia Tech descobriram que o grafeno é tão forte quanto seu ponto mais fraco. Porque a maioria do grafeno tem defeitos, sua força real provavelmente será significativamente menor do que a força intrínseca de uma folha perfeita de material de carbono com a espessura de um átomo. Crédito:Os Nanomateriais, Nanomechanics and Nanodevices Lab / Rice University
O critério de Griffith desenvolvido por um engenheiro britânico durante a Primeira Guerra Mundial descreve a relação entre o tamanho de uma rachadura em um material e a força necessária para fazer essa rachadura crescer. Em última análise, A.A. Griffith esperava entender por que os materiais frágeis falham.
Grafeno, acontece que, não é diferente das fibras de vidro que Griffith testou.
"Todo mundo pensa que a ligação carbono-carbono é a ligação mais forte da natureza, então o material deve ser muito bom, "Lou disse." Mas isso não é mais verdade, depois de ter esses defeitos. Quanto maior a folha, quanto maior a probabilidade de defeitos. Isso é bem conhecido na comunidade cerâmica. "
Um defeito pode ser tão pequeno quanto um átomo ausente da estrutura hexagonal do grafeno. Mas para um teste do mundo real, os pesquisadores tiveram que fazer um defeito próprio - uma pré-rachadura - que pudessem realmente ver. "Sabemos que haverá furos e outros defeitos no grafeno, "disse ele." O pré-rachadura ofusca esses defeitos para se tornar o ponto mais fraco, então eu sei exatamente onde a fratura vai acontecer quando puxarmos.
"A resistência do material ao crescimento de trincas - a tenacidade à fratura - é o que estamos medindo aqui, e essa é uma propriedade de engenharia muito importante, " ele disse.
Apenas configurar o experimento exigiu vários anos de trabalho para superar as dificuldades técnicas, Disse Lou. Para suspendê-lo em um pequeno estágio de mola cantilever semelhante a uma sonda de microscopia de força atômica (AFM), uma folha de grafeno tinha que estar limpa e seca para aderir (por meio da força de van der Waals) ao palco sem comprometer o movimento do palco necessário para o teste. Uma vez montado, os pesquisadores usaram um feixe de íons focalizado para cortar uma pré-rachadura com menos de 10 por cento da largura na seção de mícrons de grafeno suspenso. Em seguida, eles puxaram o grafeno pela metade, medir a força necessária.
Ting Zhu, direito, professor associado da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech, trabalha com alunos de pós-graduação Feifei Fan, sentado, e Zhi Zeng para calcular a resistência à fratura do grafeno que foi pré-trincado. Os cálculos e experimentos físicos da Georgia Tech na Rice University levaram à conclusão de que o grafeno, a camada de carbono de um átomo, é tão forte quanto seu elo mais fraco. Credit:Georgia Institute of Technology
While the Rice team was working on the experiment, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.
"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."
The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.
"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."
Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."
