(Phys.org) —Graphène, la forme de carbone à un seul atome d'épaisseur, est devenu célèbre pour sa force extraordinaire. Mais les feuilles moins que parfaites du matériau montrent une faiblesse inattendue, selon des chercheurs de l'Université Rice à Houston et de l'Université Tsinghua à Pékin.

La kryptonite de ce Superman de matériaux se présente sous la forme d'un anneau à sept atomes qui se produit inévitablement aux jonctions des joints de grains dans le graphène, où le réseau régulier d'unités hexagonales est interrompu. A ces points, sous tension, le graphène polycristallin a environ la moitié de la résistance des échantillons vierges du matériau.

Les calculs de l'équipe Rice du physicien théoricien Boris Yakobson et de ses collègues en Chine ont été rapportés ce mois-ci dans le journal de l'American Chemical Society. Lettres nano . Ils pourraient être importants pour les scientifiques des matériaux utilisant le graphène dans des applications où sa force intrinsèque est une caractéristique clé, comme les matériaux composites et l'électronique extensible ou flexible.

Feuilles de graphène cultivées en laboratoire, souvent par dépôt chimique en phase vapeur, ne sont presque jamais des matrices parfaites d'hexagones, dit Yakobson. Les domaines de graphène qui commencent à se développer sur un substrat ne sont pas forcément alignés les uns avec les autres, et quand ces îles fusionnent, ils ressemblent à des couettes, avec des motifs allant dans tous les sens.

Les raies dans les feuillets polycristallins sont appelées joints de grains, et les atomes à ces frontières sont parfois forcés de changer la façon dont ils se lient par les règles incassables de la topologie. Les "défauts" les plus courants dans la formation du graphène étudiés par le groupe de Yakobson sont les anneaux adjacents à cinq et sept atomes qui sont un peu plus faibles que les hexagones qui les entourent.

L'équipe a calculé que les anneaux de sept atomes trouvés aux jonctions de trois îles sont les points les plus faibles, où les fissures sont les plus susceptibles de se former. Ce sont les points d'extrémité des joints de grains entre les îles et sont des points chauds en cours, les chercheurs ont trouvé.

"Autrefois, les gens qui étudient ce qui se passe au joint de grain le considéraient comme une ligne infinie, " dit Yakobson. " C'est plus simple comme ça, computationnellement et conceptuellement, parce qu'ils pouvaient simplement regarder un seul segment et le faire représenter l'ensemble."

Mais dans le monde réel, il a dit, "ces lignes forment un réseau. Le graphène est généralement une courtepointe faite de plusieurs morceaux. J'ai pensé que nous devrions tester les jonctions."

Ils ont déterminé par simulation de dynamique moléculaire et "bonne vieille analyse mathématique" que dans une courtepointe en graphène, les joints de grains agissent comme des leviers qui amplifient la tension (par un empilement de dislocations) et la concentrent au niveau du défaut soit à la rencontre des trois domaines, soit à la fin d'un joint de grains entre deux domaines. « Les détails sont compliqués mais, essentiellement, plus le levier est long, plus l'amplification sur le point le plus faible est importante, " Yakobson a dit. " La force est concentrée là, et c'est là que ça commence à casser."

"La force sur ces jonctions commence les fissures, et ils se propagent comme des fissures dans un pare-brise, " dit Vassilii Artoukhov, chercheur postdoctoral à Rice et co-auteur de l'article. « Dans les métaux, les fissures finissent par s'arrêter parce qu'elles s'émoussent au fur et à mesure qu'elles se propagent. Mais dans les matériaux cassants, cela n'arrive pas. Et le graphène est un matériau cassant, donc une fissure peut aller très loin."

Yakobson a dit que conceptuellement, les calculs montrent ce que les métallurgistes reconnaissent comme l'effet Hall-Petch, une mesure de la résistance des matériaux cristallins avec des joints de grains similaires. « C'est l'un des piliers de la mécanique des matériaux à grande échelle, " dit-il. " Pour le graphène, nous appelons cela un pseudo Hall-Petch, car l'effet est très similaire même si le mécanisme est très différent.

"Tout défaut, bien sûr, fait quelque chose à la matière, " Yakobson a déclaré. "Mais cette découverte est importante car vous ne pouvez pas éviter l'effet du graphène polycristallin. C'est aussi ironique, parce que les polycristaux sont souvent considérés lorsque des domaines plus grands sont nécessaires. Nous montrons qu'au fur et à mesure qu'il grandit, ça s'affaiblit.

"Si vous avez besoin d'un patch de graphène pour des performances mécaniques, vous feriez mieux d'opter pour des monocristaux parfaits ou du graphène avec des domaines plutôt petits qui réduisent la concentration de stress."