En 2008, des expériences à la Fu Foundation School of Engineering and Applied Science de l'Université de Columbia ont établi du graphène pur, une seule couche de graphite d'un seul atome d'épaisseur, comme le matériau le plus résistant connu de l'humanité. Cela a soulevé une question pour Chris Marianetti, Professeur assistant au département de physique appliquée et de mathématiques appliquées de Columbia Engineering :comment et pourquoi le graphène se brise-t-il ?
En utilisant la théorie quantique et les supercalculateurs, Marianetti a révélé les mécanismes de défaillance mécanique du graphène pur sous contrainte de traction. Dans un article récemment accepté pour publication dans la revue Lettres d'examen physique , il montre que, lorsque le graphène est soumis à une contrainte égale dans toutes les directions, il se transforme en une nouvelle structure qui est mécaniquement instable.
Marianetti dit que ce mécanisme de défaillance est une nouvelle instabilité des phonons en mode doux. Un phonon est un mode vibrationnel collectif d'atomes dans un cristal, semblable à une vague dans un liquide. Le fait qu'un phonon devienne « mou » sous contrainte de traction signifie que le système peut abaisser son énergie en déformant les atomes le long du mode vibrationnel et en passant à un nouvel arrangement cristallin. Sous une tension suffisante, Le graphène développe un mode doux particulier qui entraîne l'arrangement en nid d'abeille des atomes de carbone vers des anneaux hexagonaux isolés. Ce nouveau cristal est structurellement plus faible, entraînant la défaillance mécanique de la feuille de graphène.
"C'est passionnant à plusieurs niveaux, " note Marianetti. " Les modes doux ont été reconnus pour la première fois dans les années 1960 dans le contexte des transitions de phase ferroélectriques, mais ils n'ont jamais été directement liés à la fracture. Typiquement, les défauts d'un matériau entraîneront toujours une défaillance prématurée, mais la nature vierge du graphène permet de tester notre prédiction. Nous avons déjà décrit quelques nouvelles expériences intéressantes pour observer directement notre prédiction théorique du mode doux."
Marianetti a ajouté que c'est la première fois qu'un phonon optique doux est lié à une défaillance mécanique et qu'il est donc probable que ce nouveau mécanisme de défaillance n'est pas exclusif au graphène mais peut être répandu dans d'autres matériaux très minces. « La nanotechnologie devenant de plus en plus omniprésente, comprendre la nature du comportement mécanique dans les systèmes de faible dimension tels que le graphène est d'une grande importance. Nous pensons que la contrainte peut être un moyen de modifier les propriétés du graphène, et donc comprendre ses limites est essentiel. » La recherche a été financée par la National Science Foundation.
Les intérêts de recherche de Marianetti résident dans l'utilisation de la mécanique classique et quantique pour modéliser le comportement des matériaux à l'échelle atomique. En particulier, il se concentre sur l'application de ces techniques aux matériaux ayant un potentiel de stockage et de conversion d'énergie. Les applications actuelles de son programme de recherche vont des matériaux nucléaires tels que le plutonium aux matériaux de batteries rechargeables tels que les oxydes de cobalt.
