נקודת התורפה של החומר גרפן

בשנת 2008 בוצעו ניסויים באוניברסיטת קולומביה שהובילו לקבלתו של גרפן טהור, שכבה יחידה של גרפיט בעל עובי של אטום בודד, שהפך מאז לחומר החזק ביותר הידוע לאנושות. ממצא זה הוביל דווקא לתהייה – כיצד ומדוע הגרפן נשבר?

בשנת 2008 בוצעו ניסויים באוניברסיטת קולומביה שהובילו לקבלתו של גרפן טהור, שכבה יחידה של גרפיט בעל עובי של אטום בודד, שהפך מאז לחומר החזק ביותר הידוע לאנושות. ממצא זה הוביל דווקא לתהייה – כיצד ומדוע הגרפן נשבר?

חוקרים הצליחו לחשוף את המנגנונים המובילים לכשל מכאני של גרפן טהור בעקבות מאמץ מתיחה תוך שימוש בתיאורית הקוונטים ובמחשבי-על. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב-העת המדעי Physical Review Letters החוקרים הראו כי כאשר הגרפן נחשף למתיחה השווה בכל הכיוונים, הוא הופך למבנה חדש שהינו בלתי-יציב מכאנית.

החוקרים מסבירים כי מנגנון כשל זה מהווה אי-יציבות של פונון (phonon) בצורה רכה. פונון הינו דפוס רטט משותף של אטומים בתוככי גביש, בדומה לגלים הנעים בנוזל. העובדה כי פונון הופך ל”רך” בתנאים של מאמץ מתיחה משמעו שהמערכת יכולה להפחית את האנרגיה שלה באמצעות עיוות האטומים לאורך דפוס הרטט ומעבר לסידור גבישי חדש. תחת מאמץ מספיק, הגרפן מגיע למצב שבו הסידור המשושה דמוי-חלת הדבש שלו מוטה לעבר טבעות משושות מנותקות. גביש חדש זה חלש יותר מבנית, דבר המוביל לכשל מכאני של שכבת הגרפן.

“הממצאים שלנו מעניינים מכמה בחינות,” מציין החוקר. “צורות רכות של פונונים זוהו לראשונה בשנות השישים בתחום של מעבר פאזה פרו-אלקטרי, אולם הן מעולם לא יוחסו ישירות להתפתחותו של שבר מכאני. לרוב, פגמים בחומר תמיד יובילו לכשל בטרם עת, אולם אופיו הטהור של גרפן מאפשר לנו לבחון את התחזית שלנו. כבר תכננו מספר ניסויים מעניינים חדשים על-מנת לצפות ישירות בתוצאות התחזית התיאורטית של צורה רכה.”

החוקר הראשי מוסיף ומסביר כי זהו המקרה הראשון אי-פעם שפונון אופטי רך נקשר לכשל מכאני ועל-כן סביר להניח כי מנגנון כשל חדשני זה אינו בלעדי לגרפן אלא עשוי להיות שכיח גם בחומרים דקיקים אחרים. “כאשר ננוטכנולוגיה הופכת לשכיחה ונפוצה יותר ויותר, הבנת אופי ההתנהגות המכאנית של מערכות דו-מימדיות, כגון הגרפן, הופכת גם היא לחשובה ביותר. אנו סבורים כי מתיחה עשויה לשמש ככלי להנדוס תכונותיו של הגרפן, וכתוצאה מכך, הבנת הגבולות שלו חיונית.”

הידיעה על המחקר

עוד בנושא באתר הידען:

• ארץ הפלאות של הפחמן מאת חתן פרס נובל לפיזיקה 2010 אנדרה גיים ופיליפ קים
• חומר חדש מבוסס-גראפן מבהיר את הכימיה של תחמוצת גרפיט
• נמשך המחקר הנמרץ בחומר זוכה הנובל גרפן
• יהלומי רהב
• שיטה חדשה לשימוש בחומר גרפן