Grafeen is een ultradun materiaal dat wordt gekenmerkt door zijn ultrakleine buigmodulus, superzwakheid. 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, verhoogt de stijfheid met enkele ordes van grootte. Het onderzoek is gepubliceerd in npj 2D-materialen en toepassingen in mei 2021.

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

Deze moeilijkheden kunnen nu voorbij zijn, heeft als onderzoeksgroep van het Nanoscience Center van de Universiteit van Jyväskylä aangetoond hoe grafeen ultrastijf 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 laserstraling veroorzaakt defecten in het grafeenrooster, die op zijn beurt het rooster uitbreidt, waardoor stabiele driedimensionale structuren ontstaan. Hier gebruikte de groep optisch smeden om een ​​monolaag grafeenmembraan te modificeren dat als een trommelhuid is 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.

"Aanvankelijk, we begrepen onze resultaten niet eens. Het kostte tijd om te verwerken wat optisch smeden eigenlijk had gedaan voor grafeen. Echter, geleidelijk begon de volle ernst van de implicaties tot ons door te dringen, " zegt Dr. Andreas Johansson, die het werk leidde om de eigenschappen van het optisch gesmede grafeen te karakteriseren.

Verstijfd grafeen opent wegen voor nieuwe toepassingen

Analyse onthulde dat de toename in buigstijfheid werd geïnduceerd tijdens optisch smeden door vervormingsengineering ribbels in de grafeenlaag. Als onderdeel van de studie, elasticiteitsmodellering van dunne platen van de gegolfde grafeenmembranen werd uitgevoerd, waaruit blijkt dat de verstijving zowel op micro- als nanoschaal plaatsvindt, op het niveau van de geïnduceerde defecten in het grafeenrooster.

"Het algemene mechanisme is duidelijk, maar het ontrafelen van de volledige atomistische details van het maken van defecten vereist nog verder onderzoek, " zegt professor Pekka Koskinen, die de modellering heeft uitgevoerd.

Verstijfd grafeen opent wegen voor nieuwe toepassingen, zoals de fabricage van micro-elektromechanische steigerstructuren of het manipuleren van de mechanische resonantiefrequentie van grafeenmembraanresonatoren tot het GHz-regime. Met grafeen dat licht is, sterk en ondoordringbaar, een mogelijkheid is om optisch smeden op grafeenvlokken te gebruiken om kooistructuren op micrometerschaal te maken voor intraveneus medicijntransport.

"De optische smeedmethode is bijzonder krachtig omdat deze het mogelijk maakt om stijve grafeenkenmerken direct te schrijven 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 verbeelding te strekken, spelen met optisch smeden, en kijk welke grafeenapparaten we kunnen maken."