Совместная исследовательская группа из США и Китая провела исследования того, как дефекты на границе фрагментов листа графена влияют на его механические свойства. Проведенный анализ показывает, что материал «ослабляется», если в нем присутствуют определенные конструкции из молекул.

Как считают сами ученые, полученный ими результат будет иметь важное значение для проектирования высокопрочных материалов на основе углерода, в том числе и для электронных приложений.

Графен представляет собой одноатомный слой атомов углерода, образующих гексагональную двумерную кристаллическую решетку. При этом если кристаллическая решетка графена не содержит дефектов, его можно назвать одним из самых прочных материалов в мире. Однако в настоящее время все доступные методы синтеза этого удивительного материала (коих известно достаточно много) приводят к формированию листов из отдельных фрагментов с гексагональной кристаллической структурой. Это неизбежно вызывает появление дефектов на границах отдельных фрагментов, в чем-то напоминающих швы на лоскутном одеяле.

Хотя сегодня влияние различных вариантов дефектов на прочность трехмерных поликристаллов изучено достаточно хорошо, двумерный случай этой теории практически не рассматривался. Таким образом,

до сих пор было крайне мало известно о том, как различные дефекты влияют на механическую прочность графена.

Исследования совместной группы ученых из Chinese Academy of Science (Китай) и University of Colorado (США) имело своей целью приоткрыть завесу тайны над данной областью. Подробные результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Materials.

Согласно полученным учеными данным,

дефекты на границе отдельных фрагментов в листе графена оказывают серьезнейшее влияние на механическую прочность материала. К такому выводу исследователи пришли в результате многомасштабного анализа, учитывавшего, как квантовый подход, так и молекулярную динамику, наравне с механикой непрерывной среды.

Для начала исследователи изучили, под каким углом должен располагаться «стык» фрагментов, чтобы он имел существенное влияние на механическую прочность материала. Оказалось, что эти границы должны быть симметричны, т.е. одна граница является зеркальным отражением другой границы (на противоположной стороне фрагмента графена). Такой дефект формируется за счет включения в «разрез» монокристаллического фрагмента графена другого куска материала. На атомарном уровне подобные «сшивки» образуют в материале определенные молекулярные структуры. При этом механическая прочность материала зависит от угла наклона данной границы. Исследователи также обнаружили, что

не только дефекты, но и механические повреждения графена связаны с образованием подобных структур.

В настоящее время научная группа занимается оценкой влияния дефектов не только на механические, но также на электронные и тепловые свойства. Поскольку дефекты неизбежно присутствуют в реальных материалах, проведенное исследование поможет ученым понять, как следует создавать высокопрочные растяжимые мембраны для биологической, энергетической и электронной промышленности.