Uma imagem mostra uma amostra de grafeno de vergalhão após teste sob um microscópio eletrônico por cientistas de materiais da Rice University. Mostra como as rachaduras se propagam em ziguezague, ao invés de direto, como seria visto no grafeno simples. O grafeno do vergalhão é ligado por forças moleculares em ambos os lados a uma plataforma que lentamente separa o material. Crédito:Emily Hacopian / Lou Group
Pesquisadores da Rice University descobriram que o "vergalhão de grafeno" resistente a fraturas é duas vezes mais duro que o grafeno puro.
O grafeno é uma folha de carbono com um átomo de espessura. Na escala bidimensional, o material é mais forte que o aço, mas porque o grafeno é tão fino, ainda está sujeito a rasgar e rasgar.
O grafeno do vergalhão é o análogo em nanoescala do vergalhão (barras de reforço) no concreto, em que barras de aço embutidas aumentam a resistência e durabilidade do material. Grafeno de vergalhão, desenvolvido pelo laboratório Rice do químico James Tour em 2014, usa nanotubos de carbono para reforço.
Em um novo estudo na revista American Chemical Society ACS Nano , Jun Lou, cientista de materiais de arroz, estudante de graduação e autora principal Emily Hacopian e colaboradores, incluindo tour, O grafeno do vergalhão testado por estresse e descobriu que o vergalhão de nanotubo desviou e obstruiu as rachaduras que, de outra forma, se propagariam no grafeno não reforçado.
Os experimentos mostraram que os nanotubos ajudam o grafeno a se manter elástico e também reduzem os efeitos das rachaduras. Isso pode ser útil não apenas para eletrônicos flexíveis, mas também vestíveis eletricamente ativos ou outros dispositivos onde a tolerância ao estresse, flexibilidade, transparência e estabilidade mecânica são desejadas, Disse Lou.
Tanto os testes mecânicos do laboratório quanto as simulações de dinâmica molecular por colaboradores da Brown University revelaram a tenacidade do material.
A excelente condutividade do grafeno o torna um forte candidato para dispositivos, mas sua natureza frágil é uma desvantagem, Disse Lou. Seu laboratório relatou há dois anos que o grafeno é tão forte quanto seu elo mais fraco. Esses testes mostraram que a força do grafeno puro é "substancialmente mais baixa" do que sua força intrínseca relatada. Em um estudo posterior, o laboratório encontrou disseleneto de molibdênio, outro material bidimensional de interesse dos pesquisadores, também é frágil.
Tour abordou Lou e seu grupo para realizar testes semelhantes em grafeno de vergalhão, feito por spin-coating de nanotubos de parede única em um substrato de cobre e crescimento de grafeno sobre eles por meio de deposição química de vapor.
Para testar a resistência do grafeno do vergalhão, Hacopian, Yang e seus colegas tiveram que despedaçá-lo e medir a força aplicada. Por tentativa e erro, o laboratório desenvolveu uma maneira de cortar pedaços microscópicos do material e montá-los em uma bancada de teste para uso com microscópios eletrônicos de varredura e de transmissão.
"Não podíamos usar cola, então tivemos que entender as forças intermoleculares entre o material e nossos dispositivos de teste, "Hacopian disse." Com materiais tão frágeis, é muito difícil. "
Emily Hacopian, estudante de pós-graduação da Rice University, segura a plataforma que usou para estudar a resistência do grafeno do vergalhão em um microscópio. Hacopian e colegas descobriram que o reforço do grafeno com nanotubos de carbono torna o material duas vezes mais resistente. Crédito:Jeff Fitlow
O vergalhão não impediu que o grafeno falhasse, mas os nanotubos retardaram o processo, forçando as rachaduras a ziguezaguear à medida que se propagavam. Quando a força era muito fraca para quebrar completamente o grafeno, os nanotubos eliminaram as rachaduras e, em alguns casos, preservaram a condutividade do material.
Em testes anteriores, O laboratório de Lou mostrou que o grafeno tem uma resistência à fratura nativa de 4 megapascais. Em contraste, O grafeno do vergalhão tem uma resistência média de 10,7 megapascais, ele disse.
Simulações do co-autor do estudo Huajian Gao e sua equipe em Brown confirmaram os resultados dos experimentos físicos. A equipe de Gao encontrou os mesmos efeitos em simulações com fileiras ordenadas de vergalhões em grafeno como aqueles medidos nas amostras físicas com vergalhões apontando para todas as direções.
“As simulações são importantes porque nos permitem ver o processo em uma escala de tempo que não está disponível para nós com técnicas de microscopia, que nos dão apenas instantâneos, "Lou disse." A equipe Brown realmente nos ajudou a entender o que está acontecendo por trás dos números. "
Ele disse que os resultados do grafeno do vergalhão são um primeiro passo para a caracterização de muitos novos materiais. "Esperamos que isso abra uma direção que as pessoas possam seguir para projetar recursos de materiais 2-D para aplicações, "Lou disse.
Hacopian, Yingchao Yang da University of Maine e Bo Ni da Brown University são co-autores do artigo. Os co-autores são Yilun Li, Hua Guo de arroz, Xing Li da Universidade de Rice e Zhengzhou e Qing Chen da Universidade de Pequim. Lou é professor de ciência dos materiais e nanoengenharia na Rice. Tour é o T.T. e W.F. Chao Chair em Química e professor de ciência da computação e de ciência dos materiais e nanoengenharia de Rice. Gao é o professor de engenharia Walter H. Annenberg da Brown.
