Grafen:Jo mere du bøjer det, jo blødere bliver det

Ny forskning udført af ingeniører ved University of Illinois kombinerer eksperimenter i atomskala med computermodellering for at bestemme, hvor meget energi det tager at bøje flerlagsgrafen - et spørgsmål, der har unddraget sig videnskabsmænd, siden grafen først blev isoleret. Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Naturmaterialer .

Grafen - et enkelt lag af kulstofatomer arrangeret i et gitter - er det stærkeste materiale i verden og så tyndt, at det er fleksibelt, sagde forskerne. Det betragtes som en af ​​nøgleingredienserne i fremtidige teknologier.

Det meste af den nuværende forskning i grafen er rettet mod udviklingen af ​​elektroniske enheder i nanoskala. Endnu, forskere siger, at mange teknologier - fra strækbar elektronik til bittesmå robotter så små, at de ikke kan ses med det blotte øje - kræver en forståelse af grafens mekanik, især hvordan den bøjer og bøjer, at frigøre deres potentiale.

"Bøjningsstivheden af ​​et materiale er en af ​​dets mest fundamentale mekaniske egenskaber, " sagde Edmund Han, en materialevidenskabs- og ingeniørstuderende og studiemedforfatter. "Selvom vi har studeret grafen i to årtier, vi mangler endnu at løse denne meget fundamentale egenskab. Årsagen er, at forskellige forskergrupper er kommet med forskellige svar, der spænder over størrelsesordener.«

Holdet opdagede, hvorfor tidligere forskningsindsatser var uenige. "De bøjede enten materialet lidt eller bøjede det meget, " sagde Jaehyung Yu, en mekanik- og ingeniørstuderende og studiemedforfatter. "Men vi fandt ud af, at grafen opfører sig forskelligt i disse to situationer. Når du bøjer flerlagsgrafen lidt, det virker mere som en stiv tallerken eller et stykke træ. Når du bøjer det meget, det fungerer som en stak papirer, hvor atomlagene kan glide forbi hinanden."

"Det spændende ved dette arbejde er, at det viser, at selvom alle var uenige, de var faktisk alle rigtige, sagde Arend van der Zande, en professor i mekanisk videnskab og teknik og studie medforfatter. "Hver gruppe målte noget forskelligt. Det, vi har opdaget, er en model til at forklare al uenigheden ved at vise, hvordan de alle hænger sammen gennem forskellige grader af bøjning."

For at lave den bøjede grafen, Yu fremstillede individuelle atomlag af sekskantet bornitrid, et andet 2D-materiale, i atomskalatrin, stemplede derefter grafenen over toppen. Ved hjælp af en fokuseret ionstråle, Han skar et stykke materiale og afbildede atomstrukturen med et elektronmikroskop for at se, hvor hvert grafenlag sad.

Holdet udviklede derefter et sæt ligninger og simuleringer for at beregne bøjningsstivheden ved hjælp af formen af ​​grafenbøjningen.

Ved at drapere flere lag grafen over et trin på kun et til fem atomer højt, forskerne skabte en kontrolleret og præcis måde at måle, hvordan materialet ville bøje sig over trinnet i forskellige konfigurationer.

"I denne enkle struktur, der er to slags kræfter involveret i at bøje grafen, " sagde Pinshane Huang, en materialevidenskab og ingeniørprofessor og studiemedforfatter. "Vedhæftning, eller tiltrækning af atomer til overfladen, forsøger at trække materialet ned. Jo stivere materialet er, jo mere vil den prøve at komme tilbage, modstå vedhæftningens træk. Formen, som grafenen overtager de atomare trin, koder for al information om materialets stivhed."

Undersøgelsen kontrollerede systematisk præcis, hvor meget materialet bøjede, og hvordan grafenens egenskaber ændrede sig.

"Fordi vi studerede grafen bøjet i forskellige mængder, vi var i stand til at se overgangen fra et regime til et andet, fra stiv til fleksibel og fra plade til plade opførsel, " sagde professor i mekanisk videnskab og ingeniørteknik Elif Ertekin, der ledede computermodelleringsdelen af ​​forskningen. "Vi byggede modeller i atomare skala for at vise, at grunden til, at dette kunne ske, er, at de enkelte lag kan glide over hinanden. Da vi havde fået denne idé, vi var i stand til at bruge elektronmikroskopet til at bekræfte glidningen mellem de individuelle lag."

De nye resultater har betydning for skabelsen af ​​maskiner, der er små og fleksible nok til at interagere med celler eller biologisk materiale, sagde forskerne.

"Celler kan ændre form og reagere på deres omgivelser, og hvis vi ønsker at bevæge os i retning af mikrorobotter eller systemer, der har evnerne til biologiske systemer, vi skal have elektroniske systemer, der kan ændre deres former og også være meget bløde, " sagde van der Zande. "Ved at drage fordel af mellemlagsglidning, vi har vist, at grafen kan være størrelsesordener blødere end konventionelle materialer af samme tykkelse."