Nieuw onderzoek door ingenieurs van de Universiteit van Illinois combineert experimenten op atomaire schaal met computermodellering om te bepalen hoeveel energie het kost om meerlaags grafeen te buigen - een vraag die wetenschappers is ontgaan sinds grafeen voor het eerst werd geïsoleerd. De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Grafeen - een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een rooster - is het sterkste materiaal ter wereld en zo dun dat het flexibel is, aldus de onderzoekers. Het wordt beschouwd als een van de belangrijkste ingrediënten van toekomstige technologieën.

Het meeste van het huidige onderzoek naar grafeen is gericht op de ontwikkeling van elektronische apparaten op nanoschaal. Nog, onderzoekers zeggen dat veel technologieën - van rekbare elektronica tot kleine robots die zo klein zijn dat ze niet met het blote oog kunnen worden gezien - een begrip van de mechanica van grafeen vereisen, vooral hoe het buigt en buigt, om hun potentieel te ontsluiten.

"De buigstijfheid van een materiaal is een van de meest fundamentele mechanische eigenschappen, " zei Edmund Han, een afgestudeerde student materiaalwetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Ook al bestuderen we grafeen al twee decennia, we moeten deze zeer fundamentele eigenschap nog oplossen. De reden is dat verschillende onderzoeksgroepen met verschillende antwoorden zijn gekomen die zich uitstrekken over ordes van grootte."

Het team ontdekte waarom eerdere onderzoeksinspanningen het niet eens waren. "Ze verbogen het materiaal een beetje of verbogen het veel, " zei Jaehyung Yu, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en techniek en co-auteur van de studie. "Maar we ontdekten dat grafeen zich in deze twee situaties anders gedraagt. Als je meerlaags grafeen een beetje buigt, het werkt meer als een stijve plaat of een stuk hout. Als je het veel buigt, het werkt als een stapel papieren waar de atomaire lagen langs elkaar heen kunnen schuiven."

"Het opwindende aan dit werk is dat het laat zien dat, ook al was iedereen het er niet mee eens, ze hadden eigenlijk allemaal gelijk, zei Arend van der Zande, een professor in de mechanische wetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Elke groep was iets anders aan het meten. Wat we hebben ontdekt, is een model om alle onenigheid te verklaren door te laten zien hoe ze zich allemaal met elkaar verhouden door verschillende graden van buigen."

Om het gebogen grafeen te maken, Yu vervaardigde individuele atomaire lagen van hexagonaal boornitride, een ander 2D-materiaal, in stappen op atomaire schaal, vervolgens het grafeen erover gestempeld. Met behulp van een gefocusseerde ionenstraal, Han sneed een stuk materiaal af en beeldde de atomaire structuur af met een elektronenmicroscoop om te zien waar elke grafeenlaag zat.

Het team ontwikkelde vervolgens een reeks vergelijkingen en simulaties om de buigstijfheid te berekenen met behulp van de vorm van de grafeenbocht.

Door meerdere lagen grafeen over een stap van slechts één tot vijf atomen hoog te draperen, de onderzoekers creëerden een gecontroleerde en nauwkeurige manier om te meten hoe het materiaal in verschillende configuraties over de trede zou buigen.

"In deze eenvoudige structuur, er zijn twee soorten krachten die betrokken zijn bij het buigen van grafeen, " zei Pinshane Huang, een professor in materiaalwetenschappen en techniek en co-auteur van de studie. "Adhesie, of de aantrekkingskracht van atomen naar het oppervlak, probeert het materiaal naar beneden te trekken. Hoe stijver het materiaal, hoe meer het zal proberen een back-up te maken, weerstand bieden aan de aantrekkingskracht van hechting. De vorm die het grafeen de atomaire stappen overneemt, codeert alle informatie over de stijfheid van het materiaal."

De studie controleerde systematisch precies hoeveel het materiaal verbogen en hoe de eigenschappen van het grafeen veranderden.

"Omdat we grafeen hebben bestudeerd dat in verschillende hoeveelheden is gebogen, we de overgang van het ene regime naar het andere konden zien, van star tot flexibel en van plaat tot plaatgedrag, " zei Elif Ertekin, professor werktuigbouwkunde en techniek, die het computermodelleringsgedeelte van het onderzoek leidde. "We hebben modellen op atomaire schaal gebouwd om aan te tonen dat de reden dat dit kan gebeuren, is dat de afzonderlijke lagen over elkaar kunnen glijden. Toen we dit idee eenmaal hadden, we konden de elektronenmicroscoop gebruiken om de slip tussen de afzonderlijke lagen te bevestigen."

De nieuwe resultaten hebben implicaties voor het creëren van machines die klein en flexibel genoeg zijn om te interageren met cellen of biologisch materiaal, aldus de onderzoekers.

"Cellen kunnen van vorm veranderen en reageren op hun omgeving, en als we willen evolueren in de richting van microrobots of systemen die de capaciteiten hebben van biologische systemen, we hebben elektronische systemen nodig die van vorm kunnen veranderen en ook heel zacht zijn, van der Zande. "Door gebruik te maken van slip tussen de lagen, we hebben aangetoond dat grafeen ordes van grootte zachter kan zijn dan conventionele materialen van dezelfde dikte."