Superflimsy grafeen werd ultrastijf door optisch smeden

Grafeen is een ultradun materiaal dat wordt gekenmerkt door zijn ultrakleine buigmodulus, superflexie. Nu hebben de onderzoekers van het Nanoscience Center van de Universiteit van Jyväskylä aangetoond hoe een experimentele techniek genaamd optisch smeden grafeen ultrastijf kan maken en de stijfheid ervan met verschillende ordes van grootte kan vergroten. Het onderzoek is gepubliceerd in npj 2D-materialen en toepassingen in mei 2021.

Grafeen is een atomair dun koolstofmateriaal geladen met uitstekende eigenschappen, zoals grote mobiliteit van ladingsdragers, uitstekende thermische geleidbaarheid en hoge optische transparantie. Zijn ondoordringbaarheid en treksterkte die 200 keer die van staal is, maken het geschikt voor nanomechanische toepassingen. Helaas maakt zijn uitzonderlijke dunheid alle driedimensionale structuren notoir onstabiel en moeilijk te fabriceren.

Deze moeilijkheden zijn nu mogelijk voorbij, aangezien een onderzoeksgroep van het Nanoscience Center van de Universiteit van Jyväskylä heeft aangetoond hoe grafeen ultrastiff kan worden gemaakt met behulp van een speciaal ontwikkelde laserbehandeling. Deze verstijving opent geheel nieuwe toepassingsgebieden voor dit wondermateriaal.

Dezelfde groep heeft eerder driedimensionale grafeenstructuren gemaakt met behulp van een gepulseerde femtoseconde laserpatroonmethode die optisch smeden wordt genoemd. De laserbestraling veroorzaakt defecten in het grafeenrooster, dat op zijn beurt het rooster uitzet en stabiele driedimensionale structuren veroorzaakt. Hier gebruikte de groep optisch smeden om een ​​monolaag grafeenmembraan te modificeren dat als een trommelhuid was opgehangen en de mechanische eigenschappen ervan te meten met behulp van nano-indentatie.

Uit de metingen bleek dat de buigstijfheid van grafeen tot vijf ordes van grootte toenam in vergelijking met ongerept grafeen, wat een nieuw wereldrecord is.

“In eerste instantie begrepen we onze resultaten niet eens. Het kostte tijd om te begrijpen wat optisch smeden eigenlijk voor grafeen had gedaan. Geleidelijk aan begon de volledige ernst van de implicaties echter tot ons door te dringen”, zegt Dr. Andreas Johansson, die leidde het werk om de eigenschappen van het optisch gesmede grafeen te karakteriseren.

Verstijfd grafeen opent wegen voor nieuwe toepassingen

Analyse toonde aan dat de toename in buigstijfheid werd geïnduceerd tijdens optisch smeden door spanningsgolfvorming in de grafeenlaag. Als onderdeel van de studie werd elasticiteitsmodellering van dunne platen van de gegolfde grafeenmembranen uitgevoerd, wat aantoont dat de verstijving zowel op micro- als op nanoschaal plaatsvindt, op het niveau van de geïnduceerde defecten in het grafeenrooster.

“Het algemene mechanisme is duidelijk, maar het ontrafelen van de volledige atomaire details van het maken van defecten moet nog verder worden onderzocht”, zegt professor Pekka Koskinen, die de modellen heeft gemaakt.

Verstevigd grafeen opent wegen voor nieuwe toepassingen, zoals de fabricage van micro-elektromechanische steigerconstructies of het manipuleren van mechanische resonantiefrequentie van grafeenmembraanresonatoren tot aan het GHz-regime. Omdat grafeen licht, sterk en ondoordringbaar is, is het mogelijk om optisch smeden op grafeenvlokken te gebruiken het maken van kooistructuren op micrometerschaal voor intraveneus medicijntransport.

“De optische smeedmethode is bijzonder krachtig omdat het direct schrijven van verstevigde grafeenkenmerken mogelijk maakt, precies op de locaties waar je ze wilt hebben”, zegt professor Mika Pettersson, die toezicht houdt op de ontwikkeling van de nieuwe techniek. “Onze volgende stap zal zijn om onze verbeeldingskracht uit te breiden, te spelen met optisch smeden en te kijken welke grafeenapparaten we kunnen maken.”