درک مکانیسم شکست گرافن

آزمایش‌هایی که در سال ۲۰۰۸ در دانشگاه کلمبیا انجام شد، نشان داد که گرافن خالص
قوی‌ترین ماده‌ای است که تاکنون برای بشر شناخته شده است. این تحقیق سوالی را در
ذهن دکتر کریس ماریانتی، استادیار دانشکده فیزیک و ریاضیات کاربردی دانشگاه کلمبیا
ایجاد کرد: گرافن چرا و چگونه می‌شکند؟

ماریانتی با بهره‌گیری از تئوری کوانتوم و ابررایانه‌ها مکانیسم شکست مکانیکی گرافن
خالص تحت فشار کششی را کشف کرده است. وی در مقاله‌ای که در مجله Physical Review
Letters منتشر شده است، نشان می‌دهد که وقتی گرافن ازتمام جهات تحت کشش قرار
می‌گیرد، ساختار جدیدی به خود می‌گیرد که از نظر مکانیکی ناپایدار است.

ماریانتی می‌گوید این مکانیسم شکست، یک ناپایداری فونونی حالت نرم (“soft-mode
phonon instability”) جدید است. یک فونون حالت ارتعاشی تجمعی اتم‌ها درون یک بلور
است که شبیه یک موج در یک مایع است. این حقیقت که یک فونون تحت فشار کششی «نرم»
می‌شود، بدین معناست که سیستم می‌تواند از طریق تغییر شکل اتم‌ها در طول وضعیت
ارتعاشی انرژی خود را پایین آورده و به یک آرایش بلوری جدید برسد. وقتی گرافن تحت
کشش کافی قرار بگیرد، یک حالت نرم خاص در آن ایجاد می‌شود که موجب تغییر آرایش
لانه‌زنبوری اتم‌های کربن به سمت حلقه‌های شش‌ضلعی مجزا می‌گردد. این بلور جدید از
نظر ساختاری ضعیف‌تر بوده و موجب شکست مکانیکی ورقه گرافن می‌شود.

ماریانتی توضیح می‌دهد: «این پدیده از چندین جهت جذاب است. حالت‌های نرم اولین بار
در سال ۱۹۶۰ در زمینه تغییر فاز فروالکتریکی شناخته شدند، اما هرگز به‌طور مستقیم
به شکست مکانیکی ارتباط داده نشده بودند. به‌طور معمول نقص ساختاری ماده موجب شکست
مکانیکی آن می‌شود، اما ساختار بی‌نقص گرافن، بررسی پیش‌بینی ما را امکان‌پذیر
می‌سازد. ما آزمایش‌هایی طراحی کرده‌ایم تا پیش‌بینی تئوری حالت نرم خود را به طور
مستقیم مشاهده کنیم».

ماریانتی می‌گوید که این اولین بار است که شکست مکانیکی به حالت نرم ارتباط داده
می‌شود، بنابراین این احتمال وجود دارد که این پدیده مختص گرافن نبوده و در مواد
بسیار باریک دیگر نیز غالب باشد. او می‌افزاید: «با فراگیر شدن فناوری نانو، درک
طبیعت رفتار مکانیکی در سامانه‌های کوچک همچون گرافن اهمیت زیادی یافته‌اند. ما بر
این باوریم که کشش می‌تواند ابزاری برای مهندسی ویژگی‌های گرافن باشد و بنابراین
درک محدودیت‌های آن ضروری است».

هزینه این تحقیق توسط بنیاد ملی علوم تأمین شده است.