Ученые обнаружили слабое место графена

В 2008 году графен — слой графите толщиной в 1 атом — был назван самым прочным материалом, известным человечеству.

Доцент Крис Марианетти из Колумбийского университета задался вопросом: как и по какой причине графен ломается?

Используя квантовую теорию и суперкомпьютеры, Марианетти выявил механизм механического сбоя чистого графена вследствие растягивающего напряжения.

В статье, недавно принятой к публикации в издании Physical Review Letters, ученый показал, что когда на графен во всех направлениях действует равное усилие, он преобразуется в новую механически нестабильную структуру.

Марианетти считает, что данный механизм являет собой новейшую нестабильность фонона. Фонон — это коллективный вибрационный режим атомов в пределах кристалла, подобный волне в жидкости. Тот факт, что фонон становится «мягким» под воздействием растягивающего напряжения, означает, что система может снизить свою энергию, искажая атомы вибрационной его формы и переходя к новому кристаллическому расположению.

Под достаточным напряжением графен преобразуется в специфический мягкий режим, вследствие чего подобное сотам расположение атомов преображается в разрозненные шестиугольные кольца. Такая структура заметно слабее и нередко приводит к механическому разрушению графена.

«Мягкие состояния впервые были признаны еще в 1960-х в контексте сегнетоэлектрических фазовых переходов, но никогда до сих пор их не связывали с механическими разрушениями», отметил Марианетти. «Как правило, дефекты в материале всегда приводят к преждевременному разрушению, однако первозданная природа графена позволяет проверить наш прогноз. Мы уже обрисовали в общих чертах некоторые новые любопытные эксперименты, которые позволяют непосредственно наблюдать наши теоретические прогнозы мягкого состояния».

Марианетти добавил, что данный случай первый, когда мягкий оптический фонон был связан с механическим разрушением и возможно поэтому новый механизм можно отнести не только к графену, но и к другим тонким материалам.

«Очень важно понять структуру и природу механического поведения таких материалов», заключил ученый. «Мы полагаем, что напряжение может стать средством разработки свойств графена, а потому становится критичным понимание его пределов».

01.12.2010