Une image au microscope électronique montre une pré-fissure dans une feuille de graphène suspendue utilisée pour mesurer la résistance globale de la feuille lors d'un test à l'Université Rice. Les scientifiques de Rice et de Georgia Tech ont effectué des expériences et des calculs théoriques et ont découvert que le graphène, largement vanté pour sa force physique supérieure, est seulement aussi fort que son point le plus faible. Crédit :Les Nanomatériaux, Laboratoire de nanomécanique et nanodispositifs/Université du riz
(Phys.org) — Il ne fait aucun doute que le graphène est fort. Mais de nouvelles recherches menées par l'Université Rice et le Georgia Institute of Technology devraient inciter les fabricants à approfondir un peu leur réflexion sur le matériau miracle pour les applications.
La feuille de carbone de l'épaisseur d'un atome découverte ce siècle est vantée non seulement pour ses propriétés électriques, mais aussi pour sa résistance physique et sa flexibilité. Les liaisons entre les atomes de carbone sont bien connues comme les plus fortes dans la nature, Ainsi, une feuille de graphène parfaite devrait résister à à peu près n'importe quoi. Le renforcement des matériaux composites fait partie des applications potentielles du matériau.
Mais les scientifiques des matériaux savent que la perfection est difficile à atteindre. Les chercheurs Jun Lou de Rice et Ting Zhu de Georgia Tech ont mesuré pour la première fois la résistance à la rupture du graphène imparfait et l'ont trouvé quelque peu cassant. Bien qu'il soit toujours très utile, le graphène n'est vraiment aussi fort que son maillon le plus faible, qu'ils ont déterminé comme étant « substantiellement inférieur » à la force intrinsèque du graphène.
"Le graphène a des propriétés physiques exceptionnelles, mais pour l'utiliser dans des applications réelles, nous devons comprendre la force utile du graphène à grande surface, qui est contrôlé par la ténacité à la rupture, " dit Zhu.
Les chercheurs ont rapporté dans le journal Communication Nature les résultats des tests dans lesquels ils ont physiquement séparé le graphène pour voir combien de force cela prendrait. Spécifiquement, ils voulaient voir si le graphène suivait la théorie centenaire de Griffith qui quantifie la résistance utile des matériaux cassants.
Cela fait, dit Lou. "Remarquablement, dans ce cas, l'énergie thermodynamique règne toujours, " il a dit.
Les imperfections du graphène diminuent considérablement sa force - avec une limite supérieure d'environ 100 gigapascals (GPa) pour un graphène parfait précédemment mesuré par nanoindentation - selon des tests physiques à Rice et des simulations de dynamique moléculaire à Georgia Tech. C'est important que les ingénieurs comprennent lorsqu'ils pensent à l'utilisation du graphène pour l'électronique flexible, matériau composite et d'autres applications dans lesquelles les contraintes sur les défauts microscopiques pourraient conduire à une défaillance.
Une feuille de graphène pré-fissurée a été suspendue et séparée sur une scène à ressort pour mesurer la force d'un morceau de graphène défectueux. Des scientifiques de l'Université Rice et de Georgia Tech ont découvert que le graphène n'est aussi fort que son point le plus faible. Parce que la plupart du graphène a des défauts, sa résistance réelle est susceptible d'être nettement inférieure à la résistance intrinsèque d'une feuille parfaite du matériau de carbone d'épaisseur atomique. Crédit :Les Nanomatériaux, Laboratoire de nanomécanique et nanodispositifs/Université du riz
Le critère de Griffith développé par un ingénieur britannique pendant la Première Guerre mondiale décrit la relation entre la taille d'une fissure dans un matériau et la force nécessaire pour faire croître cette fissure. Finalement, AA Griffith espérait comprendre pourquoi les matériaux fragiles échouent.
Graphène, il s'avère, n'est pas différent des fibres de verre testées par Griffith.
"Tout le monde pense que la liaison carbone-carbone est la plus forte de la nature, donc le matériel doit être très bon, " dit Lou. " Mais ce n'est plus vrai, une fois que vous avez ces défauts. Plus la feuille est grande, plus la probabilité de défauts est élevée. C'est bien connu dans le milieu de la céramique."
Un défaut peut être aussi petit qu'un atome manquant dans le réseau hexagonal du graphène. Mais pour un test dans le monde réel, les chercheurs ont dû créer leur propre défaut - une pré-fissure - qu'ils pouvaient réellement voir. "Nous savons qu'il y aura des trous d'épingle et d'autres défauts dans le graphène, " dit-il. " La pré-fissure éclipse ces défauts pour devenir le point le plus faible, donc je sais exactement où la fracture se produira lorsque nous la tirerons.
« La résistance du matériau à la croissance des fissures – la ténacité à la rupture – est ce que nous mesurons ici, et c'est une propriété d'ingénierie très importante, " il a dit.
La seule mise en place de l'expérimentation a nécessité plusieurs années de travail pour surmonter les difficultés techniques, dit Lou. Pour le suspendre sur un petit étage à ressort en porte-à-faux similaire à une sonde de microscopie à force atomique (AFM), une feuille de graphène devait être propre et sèche afin qu'elle adhère (via la force de van der Waals) à la scène sans compromettre le mouvement de la scène nécessaire au test. Une fois monté, les chercheurs ont utilisé un faisceau d'ions focalisé pour découper une pré-fissure de moins de 10 pour cent de la largeur dans la section de graphène en suspension d'une largeur de quelques microns. Puis ils ont coupé le graphène en deux, mesurer la force nécessaire.
Ting Zhu, droit, professeur agrégé à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech, travaille avec les étudiants diplômés Feifei Fan, assise, et Zhi Zeng pour calculer la ténacité à la rupture du graphène qui a été pré-fissuré. Les calculs et les expériences physiques de Georgia Tech à l'Université Rice ont conduit à la conclusion que le graphène, la couche de carbone à un atome, is only as strong as its weakest link. Credit:Georgia Institute of Technology
While the Rice team was working on the experiment, Zhu and his team performed computer simulations to understand the entire fracture process.
"We can directly simulate the whole deformation process by tracking the motion and displacement with atomic-scale resolution in fairly large samples so our results can be directly correlated with the experiment, " said Zhu. "The modeling is tightly coupled with the experiments."
The combination of modeling and experiment provides a level of detail that allowed the researchers to better understand the fracture process – and the tradeoff between toughness and strength in the graphene. What the scientists have learned in the research points out the importance of fabricating high-quality graphene sheets without defects, which could set the stage for fracture.
"Understanding the tradeoff between strength and toughness provides important insights for the future utilization of graphene in structural and functional applications, " Zhu added. "This research provides a foundational framework for further study of the mechanical properties of graphene."
Lou said the techniques they used should work for any two-dimensional material. "It's important to understand how defects will affect the handling, processing and manufacture of these materials, " he said. "Our work should open up new directions for testing the mechanical properties of 2-D materials."
