ورقه‌های گرافینی وقتی در معرض «میکروگلوله‌ها» قرار می‌گیرند٬ ۸ تا ۱۰ برابر بهتر از استیل رفتار می‌کنند. این نتیجه‌ای است که پژوهش‌گران در ایالات متحده به آن دست یافته‌اند. این محققان کره‌های کوچکی از جنس سیلیس را به سوی این ماده‌ی کربنی شلیک کرده و انرژی جنبشی کره‌ها را قبل و بعد از برخورد با هم مقایسه کرده‌اند. نتیجه حاکی از آن است که می‌توان از گرافین در ساخت جلیقه‌های ضدگلوله در میان دیگر کاربردهای آن بهره برد. از این فناوری می‌توان برای آزمایش میزان استحکام و سفتی دیگر نانومواد نیز استفاده کرد.

تصور می‌شود «ماده عجیب» گرافین (ورقه‌هایی از کربن که تنها یک اتم ضخامت دارند) - به یمن شبکه‌ی شش‌گوش دوبعدی آن که اتم‌های کربن با پیوند کوولانسی به هم متصل شده‌اند- قوی‌ترین ماده در جهان باشد. پژوهش‌گران اخیراً مدول یانگ گرافین را اندازه گرفته‌اند که نزدیک به مدول الماس است. این مدول اندازه‌‌‌ای از چگونگی مقاومت ماده در برابر تغییرشکل را بدست می‌دهد. اگرچه چنین آزمایش‌هایی اطلاعات ارزشمندی از ویژگی‌های مکانیکی ماده را فراهم می‌کند اما این آزمایش‌ها اساساً آزمایش‌های کم سرعتی هستند که برخورد در آن‌ها در کمتر از یک متر بر ثانیه اتفاق می‌افتد. در نتیجه نمی‌توانند توصیف‌گر تغییر شکل‌هایی باشند که بسیار سریع‌تر اتفاق می‌افتد (چیزی‌که در برخوردهای بالیستیک مشاهده می‌شود) که سرعت پرتابه‌ها در چنان برخوردهایی تا ۱۰۰۰ برابر سریع‌تر نیز می‌رسد. هرچند فناوری‌های با سرعت‌بالا و با آهنگ کرنش بالا وجود دارند اما این روش‌ها برای لایه‌های بسیار نازک از مواد مناسب نیستند.

آزمایش برپایه‌ی لیزر

تیمی به رهبری ادوین توماس (Edwin Thomas) از دانشگاه رایس اخیراً فناوری جدید موسوم به آزمایش برخورد پرتابه بر پایه‌ی لیزر (LIPIT) را ارائه کرده‌اند و اکنون با بهبود دادن آن استحکام گرافین را آزموده‌اند. در این فناوری٬ چیزی‌که پژوهش‌گران به سمت گرافین شلیک می‌کنند٬ کره‌ای جامد در اندازه‌ی میکرون و از جنس سیلیس دیده می‌شود که با سرعت تقریباً ۳ کیلومتر در ثانیه به طرف ورقه‌ای کربنی حرکت می‌کنند. سرعت این میکروگلوله‌ها قبل و بعد از آن‌که در ماده نفوذ کردند٬ اندازه‌گیری می‌شود. با این اوصاف امکان محاسبه‌ی مقدار انرژی جنبشی از دست‌رفته‌ی گلوله‌ها در طی آزمایش برای محققان فراهم می‌شود. این آزمایش بر روی غشاهای گرافینی چندلایه انجام شده که ضخامت آن‌ها از ۱۰ تا ۱۰۰ نانومتر متغیر است٬ ضخامتی که معادل ۳۰ تا ۳۰۰ لایه‌ی گرافین است. با این فناوری بخش کوچکی از نمونه‌ی موردنظر در آهنگ‌های بسیار بالا کرنش‌یافته یا تغییر شکل می‌دهد.

پژوهش‌گران نمونه‌های گرافینی چندلایه را مورد استفاده قرار داده‌اند که از توده‌ای از گرافیت تراشیده شده است. این محققان قادر بوده‌اند تا میکروگلوله‌های خود را با سرعت‌های ابرصوتی با استفاده از پالس لیزر شلیک کنند. آن‌طور که جائه-هوانگ لی (Jae-Hwang Lee) عضوی از این تیم توضیح می‌دهد: «به جای باروت٬ لایه‌ی نازکی (۵۰ نانومتر) از جنس طلا را با پرتو لیزرِ متمرکز تبخیر کرده‌ایم. نتیجه گاز طلایی‌رنگ است که به میکروگلوله‌ها شتاب می‌دهد».

پس از تحلیل تصاویر میکروسکوپیکی این برخوردها٬ پژوهش‌گران دریافتند که گرافین موجب اتلاف انرژی جنبشی میکروگلوله‌ها ابتدا با کشیدگی به داخل یک فضای مخروطی‌شکل در نقطه‌ی برخورد شده و سپس در طول جهات بلورشناختی ترک می‌خورد. به بیان لی این ترک‌خوردگی‌ها به سمت بیرون و فراتر از منطقه‌ی برخورد گسترش می‌یابد.

اتلاف کارآمد انرژی

به گفته‌ی لی: «وقتی یک میکروگلوله به داخل ماده هدف نازک رسوخ می‌کند٬ انرژی جنبشی پرتابه را با بازگشت‌دادن این انرژی تلف می‌کند. گرافین قادر است این مقدار انرژی را بسیار کارآمدتر تلف کند که باعث می‌شود از دیگر مواد (حتی استیل) نیز بهتر باشد».

به بیان او نتایج این آزمایش مشخص می‌کند که گرافین ممکن است برای ساخت جلیقه‌های ضدگلوله و دیگر انواع زره‌ها ماده‌ای ایده‌آل به حساب آید. «حتی این ماده را می‌توان در کاربردهای آتی همچون پوششی بر ماهواره‌ها و در ایستگاه فضایی بین‌المللی در مقابل میکروشهاب‌سنگ‌ها استفاده کرد».

پژوهش‌گران ادعا می‌کنند که فناوریِ میکروبالیستیک آن‌ها می‌تواند به عنوان روشی برای مطالعه‌ی رفتار مکانیکی دیگر مواد نانوساختار مختلف نیز استفاده شود.

این تیم که شامل محققانی از دانشگاه ماساچوست امهرست است اکنون مشغول آزمودن این آزمایشِ مینیاتوری بر روی دیگر سیستم‌های گرافینی مختلف هستند؛ سیستم‌هایی شامل ترکیبات گرافینی و گرافین با نقص‌های مهندسی‌شده است که انتظار می‌رود سبک‌تر از گرافین بکر و دست‌نخورده باشد.

منبع: