 Графен, состоящий из одного слоя атомов углерода, был разрекламирован, как самый сильный материал, известный в науке, имея прочность в 200 раз прочнее стали, легкость выше бумаги, и сверхординарные механические и электрические свойства. Но является ли он настолько прочным?
Ученые Национальной лаборатории Лоренса Беркли разработали первую известную статистическую теорию об прочности поликристаллического графена, который сделан с химическим осаждением из газовой фазы, и обнаружили, что он действительно является прочным (хотя и не столь прочным, как нетронутый монокристаллический графена), но что более важно, его сопротивление к разрушению было довольно низким.
Материал, безусловно, имеет очень высокую прочность, но он также имеет особенно низкую вязкостью – ниже, чем у алмаза, и немного выше, чем у чистого графита. Его чрезвычайно высокая прочность впечатляет, но исследователи вряд ли смогут использовать эту прочность, если он не имеет стойкость к разрыву.
Исследователи разработали статистическую модель прочности поликристаллического графена, чтобы лучше понять и предсказать провал в материале. Считается, что сила изменяется с фракцией до определенной степени, но что самое главное - модель определяет сопротивление графена к разрушению.
Устойчивость материала к трещинам, и стойкость материала к деформации, часто являются взаимно несовместимыми свойствами. Структурный материал должен иметь жесткость. Исследователи не используют сильные материалы в критических структурах они пытаются использовать жесткие материалы. Если рассмотреть такую структуру, как сосуд давления ядерного реактора, то можно понять, что она сделана из стали относительно низкой прочности, а не стали сверхвысокой прочности. Сложнейшие стали используются для изготовления таких орудий, как головка молота, но они никогда не используются их для изготовления критических структур из-за страха катастрофического разрушения.
Как отмечают исследователи, многие из передовых приложений, для которых графен был предложен – такие, как гибкие электронные дисплеи, антикоррозийные покрытия и биологические устройства - неявно зависят от его механических свойств для структурной надежности.
Хотя чистый монокристаллический графен может иметь меньше дефектов, авторы изучили поликристаллический графен, поскольку он является более дешевым и обычно синтезируется посредством химического осаждения из паровой фазы.
С практической точки зрения результаты исследования означают, что футбольный мяч может быть размещен на одном листе монокристаллического графена, не разрушая его. Какой объект может быть поддержан соответствующим листом поликристаллического графена? Оказывается, что футбольный мяч является слишком тяжелым, и поликристаллический графен может поддерживать только предмет размером с мяч для пинг-понга.
Далее исследователи станут изучать эффект добавления водорода к материалу, в попытке увидеть, является ли графен чувствительным к другим атомам. Уже обнаружено, что трещины растут с большей готовностью в присутствии водорода.
|
