Grafen to jednoatomowa warstwa węgla o doskonałych właściwościach mechanicznych. Jego dwuwymiarowa geometria zapewnia dużą wytrzymałość, wysoki moduł Younga oraz skutecznie ogranicza przemieszczanie się dyslokacji. Naukowcy z KAIST opracowali nanokompozyt z naprzemiennie ułożonych warstw metalu (miedzi lub niklu) oraz pojedynczych warstw grafenu.
Nowy nanomateriał z grafenu oraz miedzi lub niklu wytrzymuje obciążenia odpowiednio 500 i 180 razy większe niż czyste metale. Efekt prac badawczych został opublikowany w czasopiśmie Nature Communications.
W osobnym badaniu poświęconym połączeniu grafenu z metalami ogłoszonym w maju 2013, naukowcy z Columbia Engineering wykazali, że grafen powstały w wyniku połączenia wielu ziaren krystalicznych jest prawie tak samo wytrzymały jak grafen w jednolitej, krystalicznej formie. Badania te rozwiały wątpliwości pomiędzy teoretycznymi symulacjami, które przewidywały, że granice ziaren umacniają materiał a wcześniejszymi eksperymentami, które dowodziły mniejszej wytrzymałości połączonych ziaren od krystalicznej sieci grafenu.
Obecnie naukowcy potrafią stworzyć arkusze grafenu o powierzchni tak dużej, jak w ekran telewizora, za pomocą chemicznego osadzania gazowego (z ang. chemical vapour deposition – CVD). Metoda ta polega na osadzaniu pojedynczych warstw grafenu na podłożu z miedzi w komorze reakcyjnej o wysokiej temperaturze.
Aby zmaksymalizować przyrost wytrzymałości kompozytom grafen-metal, zespół badawczy KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) stworzył warstwową strukturę metalu i grafenu. Korzystając z techniki CVD zespół osadził pojedynczą warstwę grafenu na metalowym podłożu, następnie osadził kolejną warstwę metalu i powtarzał proces do utworzenia wielowarstwowego materiału kompozytowego. Testy wytrzymałości na mikrościskanie z wykorzystaniem transmisyjnego mikroskopu elektronowego i dynamicznej symulacji molekularnej wykazały wzrost wytrzymałości oraz blokowanie ruchów dyslokacji na poziomie atomowym.
Mechaniczne właściwości warstwy grafenu w kompozycie grafen-metal skutecznie zahamowały wzrost pęknięć powstałych w wyniku działania zewnętrznych sił. Dlatego wytrzymałość materiału kompozytowego grafen-metal jest większa niż w przypadku konwencjonalnych metalowych materiałów wielowarstwowych.
Odległość międzypłaszczyznowa w wielowarstwowym kompozycie z grafenu i miedzi wynosi 70nm. Nanokompozyt wykazuje 500 razy większą wytrzymałość (1.5GPa) niż dla czystej miedzi. Odległość międzypłaszczyznowa dla wielowarstwowego kompozytu z grafenu i niklu wynosi 100nm. Nanokompozyt wykazuje 180 razy większą wytrzymałość (4.0GPa) niż dla czystego niklu.
Naukowcy stwierdzili, że istnieje wyraźny związek między odległościami międzypłaszczyznowymi a wytrzymałością materiału wielowarstwowego. Mniejsze odległości międzypłaszczyznowe utrudniają ruch dyslokacjom.
“Wynik jest zdumiewający, wagowy dodatek 0,00004% grafenu zwiększa wytrzymałość materiałów, setki razy… . Ulepszenia bazujące na tym badaniu umożliwią masową produkcję półproduktów elektronicznych w procesie “roll-to-roll” a także tworzenie lekkich i wytrzymałych części samochodów oraz statków kosmicznych podczas spiekania metalów. Ponadto nowe materiały mogą być zastosowane do budowy reaktorów jądrowych lub innych strukturalnych materiałów, od których wymagana jest wysoka niezawodność” – powiedział profesor Han, lider zespołu badawczego.
Źródło:
[1] Strengthening effect of single-atomic-layer graphene in metal–graphene nanolayered composites. Youbin Kim, Jinsup Lee, Min Sun Yeom, Jae Won Shin, Hyungjun Kim, Yi Cui, Jeffrey W. Kysar, James Hone, Yousung Jung, Seokwoo Jeon & Seung Min Han. Nature Communications 4, Article number: 2114
[2] http://www.nanowerk.com/news2/newsid=31925.php | 27.08.2013
[3] http://www.nature.com/ncomms/2013/130702/ncomms3114/full/ncomms3114.html | 27.08.2013
[4] Apollo 16 Lunar Module Foil by Steve Jurvetson (jurvetson), flickr.com, CC BY 2.0