多伦多大学泰勒·欧文 滕翠举起一块嵌有50万个小孔的硅片
通过拉伸石墨烯，崔能够测量其对机械疲劳的抵抗力
学分:Daria Perevezentsev/多伦多工程大学 石墨烯是一个悖论
它是科学界已知的最薄的材料，也是最坚固的材料之一
现在，多伦多大学工程系的研究表明石墨烯也具有很高的抗疲劳能力——能够在断裂前承受超过10亿次的高应力循环
石墨烯类似于一片互锁的六边形环，类似于你可能在浴室地板瓷砖上看到的图案
每个角落都有一个碳原子和它的三个最近的邻居相连
虽然薄片可以横向延伸到任何区域，但它只有一个原子厚
石墨烯的固有强度被测得超过100吉帕斯卡，是所有材料中最高的
但是材料并不总是失效，因为载荷超过了它们的最大强度
微小但重复的应力会导致微观位错和断裂，随着时间的推移慢慢积累，这种过程称为疲劳，从而削弱材料
该研究的资深作者之一托宾·费勒特教授说:“要理解疲劳，想象弯曲一个金属勺子。”该研究最近发表在《自然材料》杂志上
“你第一次弯曲它时，它就变形了
但是如果你继续来回操作，最终它会一分为二
" 研究小组——由菲利特、多伦多大学工程学教授钱德拉·维尔·辛格和孙玉、他们的学生以及莱斯大学的合作者组成——想知道石墨烯如何抵抗反复的压力
他们的方法包括物理实验和计算机模拟
“在我们的原子模拟中，我们发现循环加载会导致石墨烯晶格中不可逆的键重构，导致后续加载的灾难性失败，”辛格说，他和博士后桑卡·慕克吉一起领导了这项研究的建模部分
“这是一种不寻常的行为，因为当键发生变化时，在失效之前，通常在金属中不会形成明显的裂纹或位错
" 公共卫生
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候选人崔腾在Filleter和孙的共同监督下，利用多伦多纳米制造中心为实验制造了一个物理装置
该设计由一块硅片组成，硅片上蚀刻有50万个直径只有几微米的小孔
石墨烯片被拉伸到这些小孔上，就像一个小圆桶的头部
崔使用原子力显微镜，然后将一个金刚石探针放入孔中，推动石墨烯片，施加20%到85%的力，他知道这些力会破坏材料
多伦多大学工程研究人员使用原子力显微镜(如图)来测量石墨烯抵抗机械疲劳的能力
他们发现这种材料在断裂前可以承受超过10亿次的高应力循环
学分:Daria Perevezentsev/多伦多工程大学 “我们以每秒10万次的速度运行循环，”崔说
“即使在70%的最大应力下，石墨烯也不会断裂超过三个小时，这相当于十亿次循环
在较低的压力水平下，我们的一些试验持续了超过17个小时
" 就像模拟一样，石墨烯没有积累裂缝或其他应力迹象——它要么断裂，要么没有断裂
孙说:“与金属不同，石墨烯在疲劳加载过程中没有渐进损伤。”
“它的失败是全球性的和灾难性的，证实了模拟结果
" 研究小组还测试了一种相关的材料——氧化石墨烯，它在薄片的顶部和底部都结合了氧和氢等一小组原子
它的疲劳行为更像传统材料，因为它的失效更具渐进性和局部性
这表明石墨烯简单、规则的结构是其独特性质的主要原因
“没有其他材料在疲劳条件下表现出石墨烯的行为，”Filleter说
“我们仍在研究一些新理论，试图理解这一点
" 就商业应用而言，Filleter说，含石墨烯的复合材料——传统塑料和石墨烯的混合物——已经在生产并用于运动器材，如网球拍和滑雪板
在未来，这种材料可能开始用于汽车或飞机，其中对轻质和坚固材料的强调是出于减轻重量、提高燃料效率和增强环境性能的需要
“有一些研究表明，含石墨烯的复合材料提供了更好的抗疲劳性，但迄今为止，没有人测量底层材料的疲劳行为，”他说
“我们这样做的目的是获得基本的理解，以便在未来，我们能够设计出更好的复合材料
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