Natuurkundigen creëren ultra-tretchable grafeen via een accordeonachtig kabbelende effect

Grafeen is een “wondermateriaal”: mechanisch extreem sterk en elektrisch zeer geleidend, ideaal voor gerelateerde toepassingen. Met behulp van een unieke methode hebben natuurkundigen aan de Universiteit van Wenen geleid door Jani Kotakoski voor het eerst grafeen drastischer door het rekelen door het als een accordeon te rimpel. Dit maakt de weg vrij voor nieuwe toepassingen waarin bepaalde rekbaarheid vereist is (bijvoorbeeld draagbare elektronica).

In een samenwerking met de Wenen University of Technology is het exacte mechanisme van dit fenomeen onthuld en gepubliceerd in het dagboek Fysieke beoordelingsbrieven.

Het eerste experimentele bewijs van grafeen in 2004 vestigde een volledig nieuwe klasse materialen, de zogenaamde tweedimensionale (2D) vaste stoffen. Hun naam komt voort uit het feit dat ze slechts één laag atomen dik zijn, wat leidt tot exotische materiaaleigenschappen die verschillende toepassingsgebieden ten goede kunnen komen.

Grafeen valt bijvoorbeeld op met zijn enorme elektrische geleidbaarheid, maar het is ook erg stijf. Deze extreme stijfheid is een gevolg van de honingraatvormige opstelling van de atomen in het materiaal. Intuïtief zou de verwijdering van sommige atomen uit het materiaal naast hun bindingen moeten leiden tot een vermindering van de stijfheid. Wetenschappelijke studies hebben echter zowel een lichte vermindering als een significante toename gemeld.

Deze tegenstrijdigheden zijn nu verduidelijkt door nieuwe metingen uitgevoerd door onderzoekers van de groep onder leiding van Jani Kotakoski aan de Universiteit van Wenen. De experimenten werden uitgevoerd met state-of-the-art apparaten die allemaal dezelfde ultra-clean airless omgeving delen. Dit maakt het mogelijk om monsters tussen de verschillende apparaten te vervoeren zonder ooit te worden blootgesteld aan omgevingslucht.

“Dit unieke systeem dat we aan de Universiteit van Wenen hebben ontwikkeld, stelt ons in staat om 2D -materialen zonder interferentie te onderzoeken”, legt Jani Kotakoski uit.

Wael Joudi, eerste auteur van het onderzoek, voegt eraan toe: “Voor het eerst is dit soort experiment uitgevoerd met het grafeen volledig geïsoleerd uit omgevingslucht en de vreemde deeltjes die het bevat. Zonder deze scheiding zouden deze deeltjes zich snel op het oppervlak vestigen, wat de experimentprocedure en -metingen beïnvloedt.”

In feite leidde de focus op zorgvuldige netheid van het materiaaloppervlak tot de ontdekking van het zogenaamde accordeoneffect met betrekking tot de stijfheid van grafeen: al leidt het verwijderen van twee aangrenzende atomen tot waarneembare uitpuilen van het aanvankelijk vlakke materiaal.

Verschillende uitstulpingen leiden tot een golf van het materiaal: “Je kunt het je voorstellen als een accordeon. Wanneer je uit elkaar wordt getrokken, wordt het golvende materiaal nu afgeplat, wat veel minder kracht vereist dan het rekken van het platte materiaal en daarom wordt het rekbaarder,” legt Joudi uit.

Simulaties uitgevoerd door de theoretische fysici Rika Saskia Windisch en Florian Libisch van de Wenen Universiteit van technologie bevestigen zowel de vorming van golven als de resulterende rekbaarheid.

De experimenten toonden ook aan dat vreemde deeltjes op het materiële oppervlak niet alleen dit effect onderdrukken, maar ook tot het tegenovergestelde resultaat leiden. In het bijzonder laat hun invloed het materiaal stijver lijken, wat ook tegenstrijdigheden uit het verleden verklaart.

“Dit toont het belang van de meetomgeving bij het omgaan met 2D -materialen. De resultaten openen een manier om de stijfheid van grafeen te reguleren en zo de weg vrij te maken voor mogelijke toepassingen,” concludeert Joudi.