p O grafeno é um paradoxo. É o material mais fino conhecido pela ciência, mas também um dos mais fortes. Agora, pesquisas da University of Toronto Engineering mostram que o grafeno também é altamente resistente à fadiga - capaz de suportar mais de um bilhão de ciclos de alta tensão antes de quebrar. p O grafeno se assemelha a uma folha de anéis hexagonais interligados, semelhante ao padrão que você pode ver em ladrilhos de piso de banheiro. Em cada canto há um único átomo de carbono ligado aos três vizinhos mais próximos. Embora a folha possa se estender lateralmente sobre qualquer área, tem apenas um átomo de espessura.

p A força intrínseca do grafeno foi medida em mais de 100 gigapascais, entre os maiores valores registrados para qualquer material. Mas os materiais nem sempre falham porque a carga excede sua resistência máxima. Tensões pequenas, mas repetitivas, podem enfraquecer os materiais, causando deslocamentos microscópicos e fraturas que se acumulam lentamente ao longo do tempo, um processo conhecido como fadiga.

p "Para entender a fadiga, imagine dobrar uma colher de metal, "diz o professor Tobin Filleter, um dos autores seniores do estudo, que foi publicado recentemente em Materiais da Natureza . "A primeira vez que você dobra, apenas deforma. Mas se você continuar trabalhando para frente e para trás, eventualmente ele vai se quebrar em dois. "

p A equipe de pesquisa - consistindo em Filleter, professores de engenharia da Universidade de Toronto, Chandra Veer Singh e Yu Sun, seus alunos, e colaboradores da Rice University - queriam saber como o grafeno resistiria a tensões repetidas. Sua abordagem incluiu experimentos físicos e simulações de computador.

p "Em nossas simulações atomísticas, descobrimos que o carregamento cíclico pode levar a reconfigurações irreversíveis da ligação na rede de grafeno, causando falha catastrófica no carregamento subsequente, "diz Singh, que junto com o pós-doutorado Sankha Mukherjee liderou a parte de modelagem do estudo. "Este é um comportamento incomum, pois enquanto os títulos mudam, não há rachaduras ou deslocamentos óbvios, que normalmente se formaria em metais, até o momento do fracasso. "

p Ph.D. candidato Teng Cui, que é co-supervisionado por Filleter e Sun, usou o Toronto Nanofabrication Centre para construir um dispositivo físico para os experimentos. O projeto consistia em um chip de silício gravado com meio milhão de pequenos orifícios com apenas alguns micrômetros de diâmetro. A folha de grafeno foi esticada sobre esses orifícios, como a cabeça de um minúsculo tambor.

p Usando um microscópio de força atômica, Cui então abaixou uma sonda com ponta de diamante no orifício para empurrar a folha de grafeno, aplicar de 20 a 85 por cento da força que ele sabia que quebraria o material.

p "Executamos os ciclos a uma taxa de 100, 000 vezes por segundo, "diz Cui." Mesmo com 70 por cento do estresse máximo, o grafeno não quebrou por mais de três horas, que funciona em mais de um bilhão de ciclos. Em níveis de estresse mais baixos, alguns de nossos testes duraram mais de 17 horas. "

p Tal como acontece com as simulações, o grafeno não acumulou rachaduras ou outros sinais reveladores de estresse - quebrou ou não.

p "Ao contrário dos metais, não há dano progressivo durante o carregamento de fadiga de grafeno, "diz Sun." Seu fracasso é global e catastrófico, confirmando os resultados da simulação. "

p A equipe também testou um material relacionado, óxido de grafeno, que possui pequenos grupos de átomos, como oxigênio e hidrogênio, ligados à parte superior e inferior da folha. Seu comportamento à fadiga era mais parecido com os materiais tradicionais, em que a falha foi mais progressiva e localizada. Isso sugere que o simples, A estrutura regular do grafeno é um dos principais contribuintes para suas propriedades únicas.

p "Não existem outros materiais que foram estudados em condições de fadiga que se comportam da mesma forma que o grafeno, "diz Filleter." Ainda estamos trabalhando em algumas novas teorias para tentar entender isso. "

p Em termos de aplicações comerciais, Filleter diz que compostos contendo grafeno - misturas de plástico convencional e grafeno - já estão sendo produzidos e usados ​​em equipamentos esportivos, como raquetes de tênis e esquis.

p No futuro, tais materiais podem começar a ser usados ​​em carros ou aeronaves, onde a ênfase em materiais leves e fortes é impulsionada pela necessidade de reduzir o peso, melhorar a eficiência do combustível e melhorar o desempenho ambiental.

p "Houve alguns estudos que sugerem que os compósitos contendo grafeno oferecem maior resistência à fadiga, mas até agora, ninguém mediu o comportamento de fadiga do material subjacente, ", diz ele." Nosso objetivo ao fazer isso era chegar a esse entendimento fundamental para que, no futuro, poderemos projetar composições que funcionam ainda melhor. "