Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Graphene's strength lies in its defects

12.11.2010
The website of the Nobel Prize shows a cat resting in a graphene hammock. Although fictitious, the image captures the excitement around graphene, which, at one atom thick, is the among the thinnest and strongest materials ever produced.

A significant obstacle to realizing graphene's potential lies in creating a surface large enough to support a theoretical sleeping cat. For now, material scientists stitch individual graphene sheets together to create sheets that are large enough to investigate possible applications.

Just as sewing patches of fabric together may create weaknesses where individual patches meet, defects can weaken the "grain boundaries" where graphene sheets are stitched together — at least that is what engineers had thought.

Now, engineers at Brown University and the University of Texas–Austin have discovered that the grain boundaries do not compromise the material's strength. The grain boundaries are so strong, in fact, that the sheets are nearly as strong as pure graphene. The trick, they write in a paper published in Science, lies in the angles at which the individual sheets are stitched together.

"When you have more defects, you expect the strength to be compromised," said Vivek Shenoy, professor of engineering and the paper's corresponding author, "but here it is just the opposite."

The finding may propel development of larger graphene sheets for use in electronics, optics and other industries.

Graphene is a two-dimensional surface composed of strongly bonded carbon atoms in a nearly error-free order. The basic unit of this lattice pattern consists of six carbon atoms joined together chemically. When a graphene sheet is joined with another graphene sheet, some of those six-carbon hexagons become seven-carbon bonds — heptagons. The spots where heptagons occur are called "critical bonds."

The critical bonds, located along the grain boundaries, had been considered the weak links in the material. But when Shenoy and Rassin Grantab, a fifth-year graduate student, analyzed how much strength is lost at the grain boundaries, they learned something different.

"It turns out that these grain boundaries can, in some cases, be as strong as pure graphene," Shenoy said.

The engineers then set out to learn why. Using atomistic calculations, they discovered that tilting the angle at which the sheets meet — the grain boundaries — influenced the material's overall strength. The optimal orientation producing the strongest sheets, they report, is 28.7 degrees for sheets with an armchair pattern and 21.7 degrees for sheets with a zigzag layout. These are called large-angle grain boundaries.

Large-angle grain boundaries are stronger because the bonds in the heptagons are closer in length to the bonds naturally found in graphene. That means in large-angle grain boundaries, the bonds in the heptagons are less strained, which helps explain why the material is nearly as strong as pure graphene despite the defects, Shenoy said.

"It's the way the defects are arranged," Shenoy said. "The grain boundary can accommodate the heptagons better. They're more relaxed."

Rodney Ruoff from the University of Texas–Austin's Department of Mechanical Engineering is a contributing author on the paper. The National Science Foundation and the Semiconductor Research Corporation's Nanoelectronics Research Initiative funded the research.

Courtney Anderson | EurekAlert!
Further information:
http://www.brown.edu

More articles from Materials Sciences:

nachricht Recipe for antibacterial plastic: Plastic plus egg whites
30.03.2015 | University of Georgia

nachricht ORNL-Led Team Demonstrates Desalination with Nanoporous Graphene Membrane
27.03.2015 | Oak Ridge National Laboratory

All articles from Materials Sciences >>>

The most recent press releases about innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Rostocker Forscher entwickeln Mess-System für Schiffbau-Versuchsanstalten

Durch wissenschaftlich fundierte Daten der Forscher um Professor Nils Damaschke vom Institut für Allgemeine Elektrotechnik der Universität Rostock wird es künftig möglich, die Propellerform für Schiffe so zu optimieren, dass weniger Kraftstoff verbraucht und der Propellerverschleiß auf Grund von Kavitation reduziert werden kann. Die Wissenschaftler arbeiten inzwischen an der weiteren Verfeinerung eines kommerziellen Mess-Systems für die weltweit agierenden Schiffbau-Versuchsanstalten.

Kleinste Partikel spielen im täglichen Leben eine immer größere Rolle. Ob es sich um Schadstoffe in der Luft (Feinstaubbelastung) oder Zerstäubungsprozesse...

Im Focus: Den Synapsen bei der Arbeit zusehen

Göttinger Forscher beobachten Synapsenaktivität im Gehirn lebender Fruchtfliegen

Wissenschaftler der Universität Göttingen haben mit einer neuen Methode die Aktivität von Nervenzellen im Gehirn lebender Fruchtfliegen beobachtet. Bislang...

Im Focus: FiberLab-Roboter begeistert auf Photonics West in San Francisco

Mit ihrem „humanisierten“ Roboter zeigten Anna Lena Baumann und Wolfgang Schade erstmalig die erfolgreiche Umsetzung der 3D-Navigation über eine neuartige Lasermethode, der Standard Single-Mode-Glasfaser. Mehr als 17.000 Teilnehmer konnten den Roboter und FiberLab, das erste Projekt des Photonik Inkubators in Göttingen, auf der Photonics West in San Francisco kennen lernen.

Mit Hilfe eines in die Kleidung eingenähten Fasersensors wurden Armbewegungen eines Probanden dokumentiert und nach entsprechender Auswertung an den Roboter...

Im Focus: Femto Photonic Production: Neue Verfahren mit Ultrakurzpulslasern für die Fertigung von morgen

Für die deutsche Wirtschaft spielt die Lasertechnik eine herausragende Rolle: Etwa 40 Prozent der weltweit verkauften Strahlquellen und 20 Prozent der Lasersysteme für die Materialbearbeitung stammen aus Deutschland.

Beim Einsatz von Lasern in der Produktion sind deutsche Unternehmen führend. Diese Stärken gilt es zu erhalten und auszubauen. Deswegen hat das...

Im Focus: Theorie der starken Wechselwirkung bestätigt: Supercomputer bestimmt Neutron-Proton-Massendifferenz

Nur weil das Neutron ein klein wenig schwerer ist als das Proton, haben Atomkerne genau die Eigenschaften, die unsere Welt und letztlich unsere Existenz ermöglichen.

80 Jahre nach der Entdeckung des Neutrons ist es einem Team aus Frankreich, Deutschland und Ungarn unter Führung des Wuppertaler Forschers Zoltán Fodor nun...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Große Bühne für Wissenschaft in drei Minuten

30.03.2015 | Veranstaltungen

THETIS - Branchentreff für Meeresenergien

27.03.2015 | Veranstaltungen

1. HAMMER BIOENERGIETAGE

27.03.2015 | Veranstaltungen

 
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Reichweite im 450.000-Kilometer-Praxistest

30.03.2015 | Studien Analysen

Rostocker Forscher entwickeln Mess-System für Schiffbau-Versuchsanstalten

30.03.2015 | Maschinenbau

Das Sarkoidosezentrum Würzburg stellt sich vor

30.03.2015 | Medizin Gesundheit