Superstarkes Graphen Hat Eine Achillesferse

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Tests von graphen zeigen, dass das kohlenstoffmaterial zwar das stärkste heutzutage produzierte material ist, aber auch so spröde ist wie herkömmliche keramik und kann brechen.

Aktualisierung um 12:31 Uhr ET.

Graphen wird oft als Wundermaterial angepriesen - es leitet leicht Elektrizität und ist hunderte Male stärker als Stahl. Tests an realen Proben von Graphen zeigen jedoch, dass das Kohlenstoffmaterial zwar das stärkste heutzutage produzierte Material ist, es aber auch so spröde ist wie gewöhnliche Keramik.

Ergebnis? Es kann knacken.

Ein Team von Wissenschaftlern der Rice University und des Georgia Institute of Technology testete kleine Stücke von "zweischichtigem" Graphen. Zwei ein Atom dicke Platten aus reinem Kohlenstoff lagen aufeinander, indem sie mit fokussierten Ionenstrahlen winzige Risse darin bildeten. Sie zogen dann das Graphen, um zu sehen, wie schnell sich die Risse ausbreiteten, bis das Material brach. [8 chemische Elemente, von denen Sie noch nie gehört haben]

"Es ist sehr empfindlich für [das] Vorhandensein von [a] Riss. Wenn Stahl einen Riss hat, ist er dort nicht so gefährlich. Stahl hat einen großen Widerstand gegen Rissausdehnung. Graphen ist mehr wie Fensterglas", sagte Ting Zhu, Associate Professor für Maschinenbau an der Georgia Tech und einer der Autoren der Studie.

Ein elektronenmikroskopisches Bild zeigt einen Vorriss in einer aufgehängten Graphenplatte, die zur Messung der Gesamtfestigkeit der Platte in einem Test der Rice University verwendet wurde.

Ein elektronenmikroskopisches Bild zeigt einen Vorriss in einer aufgehängten Graphenplatte, die zur Messung der Gesamtfestigkeit der Platte in einem Test der Rice University verwendet wurde.

Bildnachweis: The Nanomaterials, Nanomechanics und Nanodevices Lab / Rice University

Das Maß für die Bruchfestigkeit eines Materials, auch Bruchzähigkeit genannt, ist nicht nur die Zugfestigkeit, sondern auch die Wahrscheinlichkeit, dass es beim Anziehen bricht. Es misst auch, wie viel Strafe ein bestimmter Stoff annehmen kann, bevor er beim Verdrehen reißt. Metalle beispielsweise sind duktil; Um einen Löffel zu zerbrechen, ist viel Verdrehen und Biegen erforderlich. Ein Stück Glas widersteht dem Verdrehen und dehnt sich nicht aus, bricht jedoch schnell ab, wenn eine Dreh- oder Zugkraft über eine bestimmte Schwelle hinaus wirkt, und selbst ein winziger Riss lässt es zerspringen.

Zhu, der mit Jun Lou bei Rice zusammenarbeitete, fand heraus, dass Graphen mit Rissen 10-mal anfälliger für Brüche ist als Stahl und näher an der Bruchfestigkeit von Keramiken auf Aluminiumoxid- oder Siliciumcarbidbasis.

Die relativ geringe Bruchzähigkeit bedeutet, dass nur ein kleiner Riss in einem Stück Graphen erforderlich ist, um es zu schwächen. Und solche kleinen Risse sind eine natürliche Folge der Herstellung von Graphen.

Graphen wird auf verschiedene Weise hergestellt, unter anderem durch chemische Gasphasenabscheidung, bei der Kohlenstoffdampf abkühlen und sich auf einer Oberfläche absetzen kann, und Abblätterung, bei der Graphit (von dem Graphen abgeleitet wird) in ein Lösungsmittel gegeben wird. Die Graphenblätter können im ersten Fall groß sein, sind aber nicht perfekt. Das resultierende Gitter aus Kohlenstoffatomen, aus dem das Graphen besteht, weist kleine Defekte auf - ein Atom, das hier und dort fehlt oder falsch ausgerichtet ist. Bei der Verwendung von Graphen als Leiter oder Halbleiter spielen die Defekte keine große Rolle. Bei mechanischen Anwendungen, z. B. bei der Herstellung flexibler Displays oder bei der Erhöhung der strukturellen Festigkeit anderer Materialien, beginnen die Unvollkommenheiten.

Perfektes Graphen kann etwa 100 Gigapascal (14 Millionen Pfund pro Quadratzoll) an Kraft beanspruchen, bevor es bricht. Das unvollkommene Graphen, das die Forscher herstellten, kann jedoch nur einen winzigen Bruchteil davon aushalten, etwa 4 Megapascal (580 Pfund pro Quadratzoll).

Die Experimente sind nicht nur für das Studium von Graphen wichtig. Andere Materialien, die eine zweidimensionale Struktur annehmen können, könnten sich auf ähnliche Weise verhalten. Daher könnte die neue Forschung, die heute (29. April) in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, wichtige Erkenntnisse liefern.

"Diese Art der Modellierung könnte für die Untersuchung vieler anderer 2D-Materialien wie Molybdän-Disfulfid oder Bornitrid angewendet werden", sagte Zhu.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um das letzte Zitat zu korrigieren, das Aluminiumsulfid anstelle von Molybdän-Disfulfid enthielt.

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