ÿþG r a p h e n e
S u b j e c t i n g a G r a p h e n e M o n o l a y e r t o T e n s i o n a n d
C o m p r e s s i o n * *
G e o r g i a T s o u k l e r i , J o h n P a r t h e n i o s , K o n s t a n t i n o s P a p a g e l i s , R a s h i d J a l i l ,
A n d r e a C . F e r r a r i , A n d r e K . G e i m , K o s t y a S . N o v o s e l o v , a n d C o s t a s G a l i o t i s *
T h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f g r a p h e n e f l a k e s u n d e r b o t h t e n s i o n o f t h e i r i n t e r a t o m i c b o n d s . I n b r i t t l e m a t e r i a l s , d e f e c t s p r e s e n t
a n d c o m p r e s s i o n i s e x a m i n e d u s i n g a c a n t i l e v e r - b e a m a r r a n g e - a t t h e m i c r o s c a l e a r e r e s p o n s i b l e f o r t h e s e v e r e r e d u c t i o n o f
m e n t . T w o d i f f e r e n t s e t s o f s a m p l e s a r e e m p l o y e d . O n e c o n s i s t s t e n s i l e s t r e n g t h s f r o m t h o s e p r e d i c t e d t h e o r e t i c a l l y . H o w e v e r ,
o f f l a k e s j u s t s u p p o r t e d o n a p l a s t i c b a r . T h e o t h e r c o n s i s t s o f a s t h e l o a d e d v o l u m e o f a g i v e n b r i t t l e m a t e r i a l i s r e d u c e d a n d
f l a k e s e m b e d d e d w i t h i n t h e p l a s t i c s u b s t r a t e . B y m o n i t o r i n g t h e t h e n u m b e r o f m i c r o s c o p i c d e f e c t s d i m i n i s h e s , t h e m a t e r i a l
s h i f t o f t h e 2 D R a m a n l i n e w i t h s t r a i n , i n f o r m a t i o n o n t h e s t r e s s s t r e n g t h a p p r o a c h e s t h e i n t r i n s i c ( m o l e c u l a r ) s t r e n g t h . T h i s
t r a n s f e r e f f i c i e n c y a s a f u n c t i o n o f s t r e s s s i g n a n d m o n o l a y e r e f f e c t w a s f i r s t d e s c r i b e d b y G r i f f i t h i n 1 9 2 1 [ 1 ] a n d t h e b e s t
s u p p o r t a r e o b t a i n e d . I n t e n s i o n , t h e e m b e d d e d f l a k e s e e m s t o m a n i f e s t a t i o n o f i t s v a l i d i t y i s t h e m a n u f a c t u r e a n d u s e o f t h i n
s u s t a i n s t r a i n s u p t o 1 . 3 % , w h e r e a s i n c o m p r e s s i o n t h e r e i s a n g l a s s a n d c a r b o n f i b e r s t h a t n o w a d a y s r e i n f o r c e a w h o l e v a r i e t y
i n d i c a t i o n o f f l a k e b u c k l i n g a t a b o u t 0 . 7 % s t r a i n . T h e o f c o m m e r c i a l p l a s t i c p r o d u c t s s u c h a s s p o r t s g o o d s , b o a t s ,
r e t a i n m e n t o f s u c h a h i g h c r i t i c a l b u c k l i n g s t r a i n c o n f i r m s a i r c r a f t s , a n d s o o n .
t h e r e l a t i v e h i g h f l e x u r a l r i g i d i t y o f t h e e m b e d d e d m o n o l a y e r . W i t h r e f e r e n c e t o m a t e r i a l s t i f f n e s s , t h e p r e s e n c e o f d e f e c t s
T h e m e c h a n i c a l s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s o f c r y s t a l l i n e p l a y s a m i n o r r o l e a n d i t i s r a t h e r t h e d e g r e e o f o r d e r a n d
m a t e r i a l s a r e n o r m a l l y g o v e r n e d b y t h e s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s m o l e c u l a r o r i e n t a t i o n t h a t p r o v i d e t h e a m o u n t o f s t i f f n e s s
a l o n g a g i v e n a x i s . I n o t h e r w o r d s , i n o r d e r t o e x p l o i t t h e h i g h
s t i f f n e s s i n c r y s t a l s , t h e s t r e s s d i r e c t i o n s h o u l d c o i n c i d e w i t h t h e
[ ] P r o f . C . G a l i o t i s , G . T s o u k l e r i , D r . J . P a r t h e n i o s
e i g e n v e c t o r o f a g i v e n b o n d . [ 2 ] P u r e s t r e t c h i n g o f c o v a l e n t o r
I n s t i t u t e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g a n d
i o n i c b o n d s i s n o r m a l l y r e s p o n s i b l e f o r h i g h m a t e r i a l s t i f f n e s s ,
H i g h T e m p e r a t u r e C h e m i c a l P r o c e s s e s
w h e r e a s b e n d i n g o r t w i s t i n g p r o v i d e s h i g h c o m p l i a n c e . T h i s
F o u n d a t i o n o f R e s e a r c h a n d T e c h n o l o g y - H e l l a s ( F O R T H / I C E - H T )
S t a d i o u S t r e e t , P l a t a n i , P a t r a s A c a h a i a s , 2 6 5 0 4 ( G r e e c e ) i s w h y c o m m e r c i a l ( a m o r p h o u s ) p o l y m e r s a r e c o m p l i a n t
E - m a i l : c . g a l i o t i s @ i c e h t . f o r t h . g r
m a t e r i a l s a n e x t e r n a l s t r e s s i s m a i n l y c o n s u m e d i n t h e
P r o f . C . G a l i o t i s , G . T s o u k l e r i , D r . J . P a r t h e n i o s
u n f o l d i n g o f e n t r o p i c m a c r o m o l e c u l a r c h a i n s r a t h e r t h a n
I n t e r d e p a r t m e n t a l P r o g r a m m e i n P o l y m e r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y
s t r e t c h i n g o f i n d i v i d u a l b o n d s . [ 2 ]
U n i v e r s i t y o f P a t r a s
G r a p h e n e i s a t w o - d i m e n s i o n a l c r y s t a l c o n s i s t i n g o f h e x a -
R i o P a t r a s , 2 6 5 0 4 ( G r e e c e )
g o n a l l y a r r a n g e d , c o v a l e n t l y b o n d e d c a r b o n a t o m s a n d i s t h e
P r o f . C . G a l i o t i s , D r . K . P a p a g e l i s
t e m p l a t e f o r 1 D c a r b o n n a n o t u b e s ( C N T s ) , 3 D g r a p h i t e , a n d
M a t e r i a l s S c i e n c e D e p a r t m e n t
a l s o o f i m p o r t a n t c o m m e r c i a l p r o d u c t s s u c h a s p o l y c r y s t a l l i n e
U n i v e r s i t y o f P a t r a s
c a r b o n f i b e r s ( C F s ) . A s a s i n g l e , v i r t u a l l y d e f e c t - f r e e c r y s t a l ,
R i o P a t r a s , 2 6 5 0 4 ( G r e e c e )
g r a p h e n e i s p r e d i c t e d t o h a v e a n i n t r i n s i c t e n s i l e s t r e n g t h h i g h e r
R . J a l i l , P r o f . A . K . G e i m , D r . K . S . N o v o s e l o v
t h a n a n y o t h e r k n o w n m a t e r i a l [ 3 ] a n d a t e n s i l e s t i f f n e s s s i m i l a r
D e p a r t m e n t o f P h y s i c s a n d A s t r o n o m y
t o g r a p h i t e . [ 4 ] R e c e n t e x p e r i m e n t s h a v e c o n f i r m e d t h e e x t r e m e
M a n c h e s t e r U n i v e r s i t y
t e n s i l e s t r e n g t h o f g r a p h e n e o f 1 3 0 G P a a n d t h e s i m i l a r i n - p l a n e
O x f o r d R o a d , M a n c h e s t e r , M 1 3 9 P L ( U K )
Y o u n g s m o d u l u s o f g r a p h e n e a n d g r a p h i t e o f a b o u t 1 T P a . [ 4 ]
P r o f . A . C . F e r r a r i
O n e w a y t o a s s e s s h o w e f f e c t i v e a m a t e r i a l i s i n t h e u p t a k e o f
E n g i n e e r i n g D e p a r t m e n t
a p p l i e d s t r e s s o r s t r a i n a l o n g a g i v e n a x i s i s t o p r o b e t h e
C a m b r i d g e U n i v e r s i t y
9 J J T h o m s o n A v e n u e , C a m b r i d g e , C B 3 0 F A ( U K ) v a r i a t i o n o f p h o n o n f r e q u e n c i e s u p o n l o a d i n g . R a m a n s p e c t r o -
[ ] C G w o u l d l i k e t o t h a n k P r o f . N . M e l a n i t i s ( H N A , G r e e c e ) f o r u s e f u l
s c o p y h a s p r o v e n v e r y s u c c e s s f u l i n m o n i t o r i n g p h o n o n s o f a
d i s c u s s i o n s d u r i n g t h e p r e p a r a t i o n o f t h i s m a n u s c r i p t . F O R T H / I C E -
w h o l e r a n g e o f m a t e r i a l s u n d e r u n i a x i a l s t r e s s [ 5 ] o r h y d r o s t a t i c
H T a c k n o w l e d g e f i n a n c i a l s u p p o r t f r o m t h e M a r i e - C u r i e T r a n s f e r o f
p r e s s u r e . [ 6 ] I n g e n e r a l , p h o n o n s o f t e n i n g i s o b s e r v e d u n d e r
K n o w l e d g e p r o g r a m C N T C O M P [ C o n t r a c t N o . : M T K D - C T - 2 0 0 5 -
0 2 9 8 7 6 ] . G T g r a t e f u l l y a c k n o w l e d g e s F O R T H / I C E - H T f o r a s c h o l a r - t e n s i l e l o a d i n g a n d p h o n o n h a r d e n i n g u n d e r c o m p r e s s i v e
s h i p a n d A C F , K N , a n d A K G t h a n k t h e R o y a l S o c i e t y a n d t h e
l o a d i n g o r h y d r o s t a t i c p r e s s u r e . I n g r a p h i t i c m a t e r i a l s s u c h a s
E u r o p e a n R e s e a r c h C o u n c i l f o r f i n a n c i a l s u p p o r t .
C F , [ 7 ] t h e v a r i a t i o n o f p h o n o n f r e q u e n c y a s a f u n c t i o n o f s t r a i n
: S u p p o r t i n g I n f o r m a t i o n i s a v a i l a b l e o n t h e W W W u n d e r h t t p : / /
c a n p r o v i d e i n f o r m a t i o n o n t h e e f f i c i e n c y o f s t r e s s t r a n s f e r t o
w w w . s m a l l - j o u r n a l . c o m o r f r o m t h e a u t h o r .
i n d i v i d u a l b o n d s . T h i s i s b e c a u s e w h e n a m a c r o s c o p i c s t r e s s i s
a p p l i e d t o a p o l y c r y s t a l l i n e C F , t h e r e s u l t i n g d e f o r m a t i o n
D O I : 1 0 . 1 0 0 2 / s m l l . 2 0 0 9 0 0 8 0 2
s m a l l 2 0 0 9 , 5 , N o . 2 1 , 2 3 9 7 2 4 0 2 ß 2 0 0 9 W i l e y - V C H V e r l a g G m b H &