Wijziging van grafeen met laserlicht

Grafeen is een opwindend nieuw materiaal, dat vanwege zijn uitstekende eigenschappen wordt gekarakteriseerd als een ‘wondermateriaal’. Grafeen kreeg in 2010 veel aandacht toen de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend aan onderzoekers die het ontdekten. Grafeen is slechts één atoomlaag dik, waardoor het het dunste materiaal ter wereld is. In zijn proefschrift toonde Vesa-Matti Hiltunen aan dat grafeen ‘gesmeed’ kan worden met laserlicht. Dit creëert zeer stijve driedimensionale structuren uit grafeen, die mogelijk kunnen worden gebruikt om snellere en nauwkeurigere mechanische apparaten te maken.

Grafeen heeft verschillende uitstekende eigenschappen, zoals elektrische geleidbaarheid, transparantie en mechanische sterkte. Vanwege deze eigenschappen is het de bedoeling dat grafeen in verschillende toepassingen wordt gebruikt, in energieopslag, sensoren of communicatietechnologie.

MSc Vesa-Matti Hiltunen heeft gestudeerd in zijn Ph.D. hoe vorm en eigenschappen van grafeen kunnen worden gewijzigd door het bloot te stellen aan zeer korte maar krachtige laserpulsen. Door de laserpulsen kan normaal gesproken volledig tweedimensionaal grafeen worden gevormd tot driedimensionale structuren.

“We noemen deze methode optisch smeden, omdat het lijkt op hoe platte metalen platen met een hamer tot driedimensionale vormen kunnen worden gesmeed. Constructies die zijn gemaakt met behulp van optisch smeden zijn honderden keren hoger dan de dikte van grafeen, maar nog steeds zo klein dat ze passen bijvoorbeeld gemakkelijk op een haar ”, zegt Vesa-Matti Hiltunen.

Laserlicht verstijft grafeen

Apparaten die van grafeen gemaakt kunnen worden zijn bijvoorbeeld verschillende sensoren die mechanisch trillen. Er is ontdekt dat optisch smeden grafeen verstevigt, zodat het niet zo gemakkelijk buigt. Dit is een interessante observatie, aangezien de toename van de buigstijfheid ook de trillingsfrequentie van grafeen verhoogt. Een hogere frequentie kan op zijn beurt de snelheid en precisie van de apparaten die ervan zijn gemaakt, verbeteren.

“Met behulp van optisch smeden waren we in staat om structuren te creëren die tot 10.000 keer stijver zijn dan ongemodificeerd grafeen. Dit is het breken van records voor een materiaal zo dun als dit”, zegt Hiltunen.

Vorm is het resultaat van atomaire schaalveranderingen

Tijdens het onderzoek werd ontdekt dat optisch smeden roosterdefecten in grafeen veroorzaakt, dwz de structuur van grafeen breekt.

Grafeen begint te breken van willekeurige punten. Als grafeen lang genoeg aan het laserlicht wordt blootgesteld, worden puntachtige defecten omgezet in lijndefecten of barsten. De defecten leiden tot lokale uitzetting van grafeen, waardoor grafeen uitpuilt tot driedimensionale vormen.

“Het onderzoek gaf veel inzicht in hoe de vorm van grafeen en zijn eigenschappen kunnen worden veranderd. Een grote kracht van de methode is dat er geen complexe processen of chemische behandelingen nodig zijn om grafeen te modificeren. Laserlicht is alles wat nodig is, ‘Hiltunen vat het samen.