Ingenieurs van Duke University leggen atoomdikke roosters van koolstof in lagen met polymeren om unieke materialen te creëren met een breed scala aan toepassingen, inclusief kunstmatige spieren.

het rooster, bekend als grafeen, is gemaakt van pure koolstof en lijkt onder vergroting als kippengaas. Door zijn unieke optische, elektrische en mechanische eigenschappen, grafeen wordt gebruikt in elektronica, energie opslag, composietmaterialen en biogeneeskunde.

Echter, grafeen is extreem moeilijk te hanteren omdat het gemakkelijk "kreukt". Helaas, wetenschappers zijn niet in staat geweest het verkreukelen en ontvouwen van grafeen met een groot oppervlak te beheersen om te profiteren van zijn eigenschappen.

Hertog ingenieur Xuanhe Zhao, assistent-professor aan de Duke's Pratt School of Engineering, vergelijkt de uitdaging om grafeen onder controle te houden met het verschil tussen uitgevouwen papier en nat doekje.

"Als je normaal papier verkreukt, je kunt het vrij gemakkelijk plat maken, "Zei Zhao. "Echter, grafeen lijkt meer op nat vloeipapier. Het is extreem dun en plakkerig en moeilijk uit te vouwen als het eenmaal verfrommeld is. We hebben een methode ontwikkeld om dit probleem op te lossen en het verkreukelen en ontvouwen van grafeenfilms met een groot oppervlak te beheersen."

De Duke-ingenieurs bevestigden het grafeen op een rubberen film die vooraf was uitgerekt tot vele malen de oorspronkelijke grootte. Zodra de rubberen film was ontspannen, delen van het grafeen lieten los van het rubber terwijl andere delen eraan bleven plakken, het vormen van een bijgevoegd vrijstaand patroon met een kenmerkgrootte van enkele nanometers. Terwijl het rubber ontspande, het losgemaakte grafeen werd samengeperst om te verkreukelen. Maar toen de rubberen film werd teruggetrokken, de klevende plekken van grafeen trokken aan de gekreukte gebieden om het vel te ontvouwen.

"Op deze manier, het verkreukelen en ontvouwen van een groot gebied, atoomdik grafeen kan worden gecontroleerd door eenvoudig een rubberen film uit te rekken en te ontspannen, zelfs door handen, ' zei Zhao.

De resultaten zijn online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

"Onze aanpak heeft mogelijkheden geopend om ongekende eigenschappen en functies van grafeen te exploiteren, " zei Jianfeng Zang, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Zhao en de eerste auteur van het artikel. "Bijvoorbeeld, we kunnen het grafeen afstemmen van transparant naar ondoorzichtig door het te verfrommelen, en stem het terug door het uit te vouwen."

In aanvulling, de Duke-ingenieurs hebben het grafeen gelaagd met verschillende polymeerfilms om een ​​"zacht" materiaal te maken dat kan werken als spierweefsel door op verzoek samen te trekken en uit te zetten. Wanneer elektriciteit wordt toegepast op het grafeen, de kunstmatige spier breidt zich uit in het gebied; als de stroom uitvalt, het ontspant. Het variëren van de spanning regelt de mate van samentrekking en ontspanning.

"Het verkreukelen en ontvouwen van grafeen maakt grote vervorming van de kunstmatige spier mogelijk, ' zei Zang.

"Nieuwe kunstmatige spieren maken diverse technologieën mogelijk, variërend van robotica en medicijnafgifte tot het oogsten en opslaan van energie, " zei Zhao. "In het bijzonder, ze beloven de levenskwaliteit van miljoenen mensen met een handicap aanzienlijk te verbeteren door betaalbare apparaten te leveren, zoals lichtgewicht prothesen en paginagrote brailleleesregels."