研究发现，即使存在缺陷，石墨烯也是世界上最强的材料

新的研究发现，即使存在明显的缺陷，石墨烯也是世界上最坚固的材料。即使将其由众多细小的晶粒缝合在一起，而不是直接以其完美的结晶形式直接制成，该材料仍具有其商标和卓越的强度。这项新研究与先前的理论模拟相矛盾，后者先前预测，在完美晶格中，此类含缺陷的石墨烯将比石墨烯弱得多。

图片来源：Andrew Shea的插图，哥伦比亚工程公司

有人说石墨烯是如此之强，以至于“大象需要用铅笔平衡才能突破厚度为Saran Wrap的石墨烯。”该材料令人印象深刻的强度，以及其许多其他出色的品质-将单个光子的光转换成多个电子的能力，非常大的光谱吸收率，独特的光学特性等-使它非常有吸引力以及潜在的革命性材料。

石墨烯从本质上讲只是碳的单原子层，其结构为蜂窝晶格。“我们在2008年的第一篇科学论文中研究了石墨烯在无缺陷时的强度-固有强度，”哥伦比亚工程学院机械工程学教授詹姆斯·霍恩（James Hone）说，他与机械工程学教授杰弗里·凯萨（Jeffrey Kysar）共同领导了这项研究。“但是无缺陷的原始石墨烯仅存在于非常小的区域。应用所需的大面积薄片必须包含许多在晶粒边界处连接的小晶粒，目前尚不清楚这些晶粒边界的强度。这是我们的第二篇《科学》论文，报告了使用化学气相沉积（CVD）生长的大面积石墨烯薄膜的强度，我们很高兴地说石墨烯比以往任何时候都更坚固。”

这项新的研究纠正了以下错误观念：石墨烯中存在的缺陷是先前研究中发现的强度极低的原因-强度降低实际上是对CVD生长的石墨烯进行后处理的方法的结果。哥伦比亚工程研究团队通过开发一种新工艺来纠正这一问题，该工艺可以防止在转移过程中对石墨烯造成损害。

该论文的主要作者，Hone实验室的博士后研究员Gwan-Hyoung Lee说：“我们使用了不同的蚀刻剂，并且能够创建测试样品而不会损害石墨烯。”“我们的发现清楚地纠正了关于石墨烯晶界弱的错误共识。这是一个好消息，因为石墨烯为基础科学研究和工业应用提供了如此众多的机会。”

目前制造石墨烯的主要方法是通过化学气相沉积（CVD）。可以用这种方法生长与电视屏幕一样大的石墨烯片。并且该方法具有比替代方法更经济的优点。

“但是CVD石墨烯是从许多小晶粒（如被子）'缝合'在一起的，在它们的晶界处包含原子结构中的缺陷，” Kysar解释说。“如果这些晶界比理想的晶格更容易破裂，它们会严重限制大面积石墨烯的强度，因此人们对了解它们的强度有着浓厚的兴趣。”

因此，研究人员着手寻找使CVD石墨烯比其他制造方法制造的石墨烯更弱的原因。他们发现，该工艺中使用的特定化学物质正在损坏石墨烯，从而降低其强度。

Hone说：“这对于石墨烯的未来是令人振奋的结果，因为它提供了实验证据，表明其在原子尺度上具有的异常强度可以一直保持到样品英寸甚至更大。”“随着科学家继续开发新的柔性电子产品和超强复合材料，这种力量将是无价的。”

可能的用途包括：下一代太阳能电池，超柔韧性的电子产品，像海报一样卷起的电视屏幕，极强的复合材料（可能使碳纤维的强度黯然失色），甚至可能创建太空电梯。

这项新研究最近发表在《科学》杂志上。