Graphen, ein Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, gilt als das stärkste bekannte Material: 200-mal stärker als Stahl, leichter als Papier und mit außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften. Aber kann es halten, was es verspricht?

Wissenschaftler am Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) des US-Energieministeriums haben die erste bekannte statistische Theorie für die Zähigkeit von polykristallinem Graphen entwickelt, das durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wird, und herausgefunden, dass es tatsächlich stark ist (wenn auch nicht ganz so stark). wie makelloses monokristallines Graphen), aber was noch wichtiger ist, seine Zähigkeit – oder Bruchfestigkeit – ist recht gering. Ihre Studie „Toughness and Strength of nanocristalline graphene“ wurde kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.

„Dieses Material hat sicherlich eine sehr hohe Festigkeit, aber eine besonders geringe Zähigkeit – niedriger als Diamant und etwas höher als reiner Graphit“, sagte Robert Ritchie, Wissenschaftler am Berkeley Lab. „Seine extrem hohe Festigkeit ist sehr beeindruckend, aber wir können diese Festigkeit nicht unbedingt nutzen, es sei denn, es weist Bruchfestigkeit auf.“

Ritchie, ein leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und ein führender Experte für das Versagen von Materialien, war zusammen mit Ashivni Shekhawat, einem Miller Research Fellow in seiner Gruppe, Co-Autor der Studie. Gemeinsam entwickelten sie ein statistisches Modell für die Zähigkeit von polykristallinem Graphen, um das Versagen des Materials besser zu verstehen und vorherzusagen.

„Es ist ein mathematisches Modell, das die Nanostruktur des Materials berücksichtigt“, sagte Ritchie. „Wir stellen fest, dass die Festigkeit bis zu einem gewissen Grad mit der Korngröße variiert, aber am wichtigsten ist, dass es sich um ein Modell handelt, das die Bruchfestigkeit von Graphen definiert.“

Zähigkeit, die Bruchfestigkeit eines Materials, und Festigkeit, die Verformungsbeständigkeit eines Materials, sind oft miteinander unvereinbare Eigenschaften. „Ein Strukturmaterial muss robust sein“, erklärte Ritchie. „Wir verwenden in kritischen Strukturen einfach keine starken Materialien – wir versuchen, robuste Materialien zu verwenden. Wenn man sich eine solche Struktur wie einen Kernreaktor-Druckbehälter ansieht, besteht sie aus einem Stahl mit relativ geringer Festigkeit und nicht aus einem ultrahochfesten Stahl. Die härtesten Stähle werden zur Herstellung von Werkzeugen wie einem Hammerkopf verwendet, aber aus Angst vor katastrophalen Brüchen würde man sie niemals zur Herstellung einer kritischen Struktur verwenden.“

Wie die Autoren in ihrer Arbeit anmerken, hängen viele der zukunftsweisenden Anwendungen, für die Graphen vorgeschlagen wurde – wie flexible elektronische Displays, korrosionsbeständige Beschichtungen und biologische Geräte – im Hinblick auf die strukturelle Zuverlässigkeit implizit von seinen mechanischen Eigenschaften ab.

Obwohl reines monokristallines Graphen möglicherweise weniger Defekte aufweist, untersuchten die Autoren polykristallines Graphen, da es kostengünstiger ist und üblicherweise durch chemische Gasphasenabscheidung synthetisiert wird. Ritchie ist nur eine experimentelle Messung der Zähigkeit des Materials bekannt.

„Unsere Zahlen stimmten mit dieser einen experimentellen Zahl überein“, sagte er. „In der Praxis bedeuten diese Ergebnisse, dass ein Fußball auf einer einzelnen Schicht aus monokristallinem Graphen platziert werden kann, ohne dass diese zerbricht. Welches Objekt kann von einer entsprechenden Schicht aus polykristallinem Graphen getragen werden? Es stellt sich heraus, dass ein Fußball viel zu schwer ist und polykristallines Graphen nur einen Tischtennisball tragen kann. Für ein ein Atom dickes Material immer noch bemerkenswert, aber nicht mehr ganz so atemberaubend.“

Als nächstes untersuchen Shekhawat und Ritchie die Auswirkungen der Zugabe von Wasserstoff zum Material. „Wir wissen nicht viel über den Bruch von Graphen, also versuchen wir herauszufinden, ob es empfindlich auf andere Atome reagiert“, sagte er. „Wir stellen fest, dass die Risse in Gegenwart von Wasserstoff leichter wachsen.“