Uventede adhæsionsegenskaber af grafen kan føre til nye nanoteknologiske enheder

grafen, betragtes som det mest spændende nye materiale under undersøgelse i nanoteknologiens verden, er blevet endnu mere interessant, ifølge en ny undersøgelse foretaget af en gruppe forskere ved University of Colorado Boulder.

De nye resultater - at grafen har overraskende kraftige adhæsionsegenskaber - forventes at hjælpe med at guide udviklingen af ​​grafenfremstilling og af grafenbaserede mekaniske enheder såsom resonatorer og gasseparationsmembraner, ifølge CU-Boulder-holdet. Eksperimenterne viste, at den ekstreme fleksibilitet af grafen gør det muligt at tilpasse sig topografien af ​​selv de glatteste underlag.

Grafen består af et enkelt lag af kulstofatomer, der er kemisk bundet i et sekskantet hønsenet gitter. Dens unikke atomstruktur kan en dag erstatte silicium som grundlag for elektroniske enheder og integrerede kredsløb på grund af dets bemærkelsesværdige elektriske, mekaniske og termiske egenskaber, sagde adjunkt Scott Bunch fra CU-Boulders maskiningeniørafdeling og hovedforfatter af undersøgelsen.

Et papir om emnet blev offentliggjort online i 14. august-udgaven af Natur nanoteknologi . Medforfattere på undersøgelsen omfattede CU-Boulder kandidatstuderende Steven Koenig og NarasimhaBoddeti og professor Martin Dunn fra maskiningeniørafdelingen.

"Den virkelige spænding for mig er muligheden for at skabe nye applikationer, der udnytter grafens bemærkelsesværdige fleksibilitet og klæbende egenskaber og udtænke unikke eksperimenter, der kan lære os mere om nanoskalaegenskaberne af dette fantastiske materiale, " sagde Bunch.

Ikke alene har grafen den højeste elektriske og termiske ledningsevne blandt alle kendte materialer, men dette "vidundermateriale" har vist sig at være det tyndeste, det stiveste og stærkeste materiale i verden, samt at være uigennemtrængelig for alle standardgasser. Dets nyopdagede vedhæftningsegenskaber kan nu føjes til listen over materialets tilsyneladende modstridende egenskaber, sagde Bunch.

CU-Boulder-teamet målte adhæsionsenergien af ​​grafenplader, spænder fra et til fem atomlag, med et glasunderlag, ved hjælp af en "blistertest" under tryk for at kvantificere adhæsionen mellem grafen og glasplader.

Adhæsionsenergi beskriver, hvor "klæbende" to ting er, når de placeres sammen. Scotch tape er et eksempel på et materiale med høj vedhæftning; gekko firben, som tilsyneladende trodser tyngdekraften ved at opskalere lodrette vægge ved hjælp af adhæsion mellem fødderne og væggen, er en anden. Adhæsion kan også spille en skadelig rolle, som i ophængte mikromekaniske strukturer, hvor adhæsion kan forårsage fejl i enheden eller forlænge udviklingen af ​​en teknologi, sagde Bunch.

CU-forskningen, de første direkte eksperimentelle målinger af adhæsion af grafen nanostrukturer, viste, at såkaldte "van der Waals-kræfter" - summen af ​​de tiltrækkende eller frastødende kræfter mellem molekyler - klemmer grafenprøverne til substraterne og holder også de individuelle grafenplader sammen i flerlagsprøver.

Forskerne fandt ud af, at adhæsionsenergierne mellem grafen og glassubstratet var flere størrelsesordener større end adhæsionsenergierne i typiske mikromekaniske strukturer, en vekselvirkning de beskrev som mere væskelignende end faststoflignende, sagde Bunch.

CU-Boulder-undersøgelsen blev primært finansieret af National Science Foundation og Defense Advanced Research Projects Agency.

Betydningen af ​​grafen i den videnskabelige verden blev illustreret af Nobelprisen i fysik i 2010, der hædrede to videnskabsmænd ved Manchester University i England, Andre K. Geim og Konstantin Novoselov, til at producere, isolere, identifikation og karakterisering af grafen.

Der er interesse for at udnytte grafens utrolige mekaniske egenskaber til at skabe ultratynde membraner til energieffektive adskillelser, såsom dem, der er nødvendige for naturgasbehandling eller vandrensning, mens grafens overlegne elektriske egenskaber lover at revolutionere mikroelektronikindustrien, sagde Bunch.

I alle disse applikationer, inklusive enhver storstilet grafenfremstilling, interaktionen, som grafen har med en overflade, er af afgørende betydning, og en videnskabelig forståelse vil hjælpe med at skubbe teknologien fremad, han sagde.