Duke Universitys ingenjörer lägger samman atomtjocka galler av kol med polymerer för att skapa unika material med ett brett spektrum av applikationer, inklusive konstgjorda muskler.

Gallret, känd som grafen, är gjord av rent kol och visas under förstoring som kycklingnät. På grund av dess unika optiska, elektriska och mekaniska egenskaper, grafen används i elektronik, energilagring, kompositmaterial och biomedicin.

Dock, grafen är extremt svår att hantera eftersom det lätt "smulnar". Tyvärr, forskare har inte kunnat kontrollera skrynklingen och utvecklingen av grafen med stor yta för att dra fördel av dess egenskaper.

Duke ingenjör Xuanhe Zhao, biträdande professor vid Duke's Pratt School of Engineering, liknar utmaningen med att kontrollera grafen med skillnaden mellan utvikningspapper och våt vävnad.

"Om du skrynklade ihop vanligt papper, du kan ganska lätt platta ut det, " sa Zhao. "Men, grafen är mer som vått silkespapper. Den är extremt tunn och klibbig och svår att vika ut när den väl är skrynklig. Vi har utvecklat en metod för att lösa detta problem och kontrollera skrynklingen och utvecklingen av grafenfilmer med stor yta."

Duke-ingenjörerna fäste grafenen på en gummifilm som hade försträckts till många gånger sin ursprungliga storlek. När gummifilmen väl var avslappnad, delar av grafenet lossnade från gummit medan andra delar fortsatte att fästa vid det, bildar ett vidhäftat fristående mönster med en funktionsstorlek på några nanometer. När gummit slappnade av, den lösgjorda grafenen komprimerades för att skrynklas ihop. Men när gummifilmen sträcktes tillbaka, de vidhäftade fläckarna av grafen drog på de skrynkliga områdena för att vika ut arket.

"På det här sättet, skrynkling och utveckling av stora områden, atomtjock grafen kan kontrolleras genom att helt enkelt sträcka och slappna av en gummifilm, även med händerna, " sa Zhao.

Resultaten publicerades online i tidskriften Naturmaterial .

"Vårt tillvägagångssätt har öppnat vägar för att utnyttja oöverträffade egenskaper och funktioner hos grafen, " sa Jianfeng Zang, en postdoktor i Zhaos grupp och den första författaren till tidningen. "Till exempel, vi kan ställa in grafenet från att vara transparent till ogenomskinligt genom att skrynkla ihop det, och ställ tillbaka den genom att vika upp den."

Dessutom, Duke-ingenjörerna skiktade grafenet med olika polymerfilmer för att göra ett "mjukt" material som kan fungera som muskelvävnader genom att dra ihop sig och expandera vid behov. När elektricitet appliceras på grafen, den konstgjorda muskeln expanderar i området; när strömmen är avstängd, det slappnar av. Att variera spänningen styr graden av kontraktion och avslappning.

"Skrympningen och utvecklingen av grafen tillåter stor deformation av den konstgjorda muskeln, " sa Zang.

"Nya konstgjorda muskler möjliggör olika tekniker, allt från robotteknik och läkemedelsleverans till energiskörd och lagring, " sa Zhao. "I synnerhet, de lovar att avsevärt förbättra livskvaliteten för miljontals funktionshindrade människor genom att tillhandahålla prisvärda enheter som lätta proteser och helsides punktskriftsskärmar."