揭示石墨烯的极限强度和韧性

特伦托大学参与了一个国际项目，在该项目中，研究人员首次能够进行数百次实验，测量这种材料的最终机械性能。他们发现，即使是微小的缺陷也会使石墨烯的强度降低 50%。该研究发表在《自然-通讯》。

科学家认为，石墨烯是当今最有前途的材料之一。自石墨烯被发现以来，它一直是许多研究的焦点，并且从未停止给人们带来惊喜。最近，来自鲁汶大学的一组研究人员在研究中取得了突破性进展，揭示了这种材料确切的强度和断裂韧性。该项目的意大利部分由特伦托大学，特别是土木、环境和机械工程系固体和结构力学教授尼古拉-普格诺（Nicola Pugno）负责，他多年来一直在研究这种材料，是雄心勃勃的欧洲研究计划 “石墨烯旗舰 “的一部分。

关于石墨烯

石墨烯是一种由碳原子晶格构成的二维材料。石墨烯虽然只有原子那么薄，但在理想状态下却比钢铁坚固百倍。石墨烯柔韧、轻便、防水、导热和导电性能极佳。如今，人们之所以知道它的这些特性，主要得益于数字模拟和迄今为止进行的一些实验。然而，这些数据并不完整，而且由于重复试验非常困难，因此统计意义不大。

要理解这种复杂性，可以想象一下在比头发丝还要细 15 万倍的极小物体上进行拉伸实验。

专家解释说，要了解材料的抗拉强度，需要两个方面的信息：确定强度和断裂韧性。这些方面提供了石墨烯的关键特性。

参与该项目的科学家们的目标是从更大、更重要的样本中获取这些信息，而不是迄今为止使用的纳米级样本，并多次重复实验，以获得具有统计学意义的明确结果。他们成功地做到了这一点。

关于研究工作

研究小组首次在几百微米的单片上进行了实验。这个尺寸几乎相当于半毫米，肉眼可见。

材料科学家都知道，完美是很难实现的。与任何材料一样，石墨烯也可能存在缺陷。这些缺陷会降低断裂阶段的强度。强度的降低与最关键缺陷的大小成正比，而最关键缺陷的大小又与检测样品的大小成正比。因此，较小规模的材料往往强度较高，因为发现缺陷的可能性较低。另一方面，在较高的尺度上，即使是最坚固的材料也会显得更加脆弱，因为出现缺陷的概率会增加。

这项研究的作者使用了一种量化断裂力学方法，这种方法考虑到了材料的初始缺陷（微结构裂缝）和材料的离散性，是由尼古拉-普格诺（Nicola Pugno）在过去发明的。

研究人员使用由鲁汶大学获得专利的显微芯片，同时在有裂缝和无裂缝的原子那么厚的样品上进行了数百次实验。他们的目标是测量样品的强度和韧性。

解读结果

特伦托大学在项目中的作用是利用上述建模方法解释实验结果。尼古拉-普格诺（Nicola Pugno）是生物启发纳米力学、纳米管和石墨烯方面的专家，同时也是固体、结构和断裂力学方面的专家。

他解释说：”我们进行的测试表明，从统计学角度来看，这种尺寸的石墨烯薄片往往存在一个缺陷，虽然只有一个半纳米，但却会使材料强度降低百分之五十，正如我们之前的计算所预测的那样。

他补充说：”这项研究的结果说明，我们必须牢记，现实中的石墨烯（即有缺陷的石墨烯）的强度约为理想石墨烯的一半。他总结说，考虑无缺陷石墨烯是有风险的，因为它几乎不存在缺陷。我们应该始终考虑到至少一个缺陷，这些缺陷可能非常小，但仍然会对材料的实际强度产生重大影响”。

如今，石墨烯已被广泛应用于航空航天、生物医学和建筑等各个领域。这项研究还为其他需要高强度材料的应用开辟了道路：从机械、工程到传感器。

该研究发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上，可在 https://www.nature.com/articles/s41467-024-49426-3 上查阅。

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