Superspind grafen blev ultrastiv ved optisk smedning

Grafen er et ultratyndt materiale kendetegnet ved dets ultralille bøjningsmodul, overfladiskhed. Nu har forskerne ved Nanoscience Center ved Jyväskylä Universitet demonstreret, hvordan en eksperimentel teknik kaldet optisk smedning kan gøre grafen ultrastiv, øge dens stivhed med flere størrelsesordener. Forskningen blev offentliggjort i npj 2D materialer og applikationer i maj 2021.

Grafen er et atomisk tyndt kulstofmateriale fyldt med fremragende egenskaber, som f.eks. mobilitet fra stor ladeoperatør, fremragende varmeledningsevne, og høj optisk gennemsigtighed. Dens uigennemtrængelighed og trækstyrke, der er 200 gange større end stål, gør den velegnet til nanomekaniske applikationer. Desværre, dens exceptionelle spinkelhed gør enhver tredimensionel struktur notorisk ustabil og svær at fremstille.

Disse vanskeligheder kan nu være forbi, som en forskergruppe ved Nanoscience Center ved Jyväskylä Universitet har demonstreret, hvordan man gør grafen ultrastiv ved hjælp af en specifikt udviklet laserbehandling. Denne afstivning åbner helt nye anvendelsesområder for dette vidundermateriale.

Den samme gruppe har tidligere forberedt tredimensionelle grafenstrukturer ved hjælp af en pulseret femtosekund lasermønstermetode kaldet optisk smedning. Laserbestrålingen forårsager defekter i grafengitteret, som igen udvider gitteret, forårsager stabile tredimensionelle strukturer. Her brugte gruppen optisk smedning til at modificere en monolags grafenmembran suspenderet som et trommeskind og målte dens mekaniske egenskaber ved hjælp af nanoindentation.

Målingerne afslørede, at bøjningsstivheden af ​​grafen steg op til fem størrelsesordener sammenlignet med uberørt grafen, hvilket er ny verdensrekord.

"Først vi forstod ikke engang vores resultater. Det tog tid at fordøje, hvad optisk smedning faktisk havde gjort for grafen. Imidlertid, gradvist begyndte den fulde alvor af implikationerne at gå op for os, " siger Dr. Andreas Johansson, der ledede arbejdet med at karakterisere egenskaberne af den optisk smedede grafen.

Stivnet grafen åbner muligheder for nye anvendelser

Analyse afslørede, at stigningen i bøjningsstivhed blev induceret under optisk smedning af strain-engineering korrugeringer i grafenlaget. Som en del af undersøgelsen tyndplade elasticitetsmodellering af de korrugerede grafenmembraner blev udført, viser, at afstivningen sker på både mikro- og nanoskalaen, på niveau med de inducerede defekter i grafengitteret.

"Den overordnede mekanisme er klar, men at optrævle de fulde atomistiske detaljer om defektfremstilling kræver stadig yderligere forskning, " siger professor Pekka Koskinen, der udførte modelleringen.

Stivnet grafen åbner muligheder for nye anvendelser, såsom fremstilling af mikroelektromekaniske stilladsstrukturer eller manipulering af mekanisk resonansfrekvens af grafenmembranresonatorer op til GHz-regimet. Med grafen som lys, stærk og uigennemtrængelig, et potentiale er at bruge optisk smedning på grafenflager til at lave burstrukturer i mikrometerskala til intravenøs medicintransport.

"Den optiske smedningsmetode er særlig kraftfuld, fordi den tillader direkte skrivning af stivnede grafentræk præcis på de steder, hvor du vil have dem, " siger professor Mika Pettersson, der overvåger udviklingen af ​​den nye teknik. "Vores næste skridt vil være at strække vores fantasi, lege med optisk smedning, og se, hvilke grafenenheder vi kan lave."