De tunnaste materialen som kan tillverkas idag har tjockleken på en enda atom. Dessa material – så kallade tvådimensionella material – uppvisar egenskaper som är mycket olika jämfört med deras bulk-tredimensionella motsvarigheter. Tills nyligen, 2-D-material producerades och manipulerades som filmer på ytan av något lämpligt 3-D-substrat. Arbetar i samarbete med ett team från Leibniz Institute for New Materials, en grupp fysiker vid Saarlands universitet, ledd av professor Uwe Hartmann, har för första gången lyckats karaktärisera de mekaniska egenskaperna hos fristående en-atom-tjocka membran av grafen. Mätningarna utfördes med användning av scanning tunneling microscopy (STM). Forskarna har publicerat sina resultat i facktidskriften Nanoskala .

Tvådimensionella material har bara varit kända i några år. År 2010, forskarna André Geim och Konstantin Novoselov tilldelades Nobelpriset i fysik för sitt forskningsarbete om materialet grafen – en tvådimensionell allotrop av rent kol. Efter den upptäckten, ett antal andra 2D-material tillverkade av kisel eller germanium producerades och karakteriserades. "Det speciella med dessa material är att de bara är en atom tjocka - de är praktiskt taget alla ytor, " förklarar professor Uwe Hartmann, en experimentell fysiker vid Saarlands universitet. Som ett resultat har de fysiska egenskaper som skiljer sig helt från deras mer konventionella tredimensionella släktingar.

"De elektroniska egenskaperna hos vissa grafenkonfigurationer är spektakulära. Elektronerna i materialets inre är relativistiska, d.v.s. de lyder lagarna för relativitetsteorin, vilket verkligen inte är fallet för elektroner i konventionella material. Detta antyder ett antal intressanta fördelar för elektroniska komponenter tillverkade av tvådimensionella material, "säger Hartmann. De mekaniska egenskaperna hos dessa 2-D-material är också unika. Enligt Hartmann:" Vissa konfigurationer av dessa tvådimensionella material uppvisar en viss mekanisk stabilitet som är-relativt materialets tjocklek-mycket större än som ses i de mest stabila tredimensionella materialen." För att utnyttja denna potential, EU etablerade sitt flaggskeppsprojekt Graphene 2013. Med en forskningsbudget på 1 miljard euro är det hittills EU:s största forskningsinitiativ.

Dock, information om de mekaniska egenskaperna hos dessa nya material har hittills härletts från simuleringar. "Ända tills nu, arbete med tvådimensionella material har inneburit att arbeta med ultratunna filmer på ytan av ett lämpligt tredimensionellt substrat. Som ett resultat, egenskaperna hos det övergripande systemet bestäms oundvikligen av det tredimensionella materialet, " förklarar Hartmann. Arbetar i samarbete med Leibniz Institute for New Materials (INM), som också ligger på campus Saarbrücken, Hartmanns forskargrupp vid institutionen för nanostrukturforskning och nanoteknologi har för första gången lyckats direkt mäta de mekaniska egenskaperna hos en fristående, enatomslagermembran av kolallotropen grafen.

"Vi har nu möjlighet att direkt jämföra data från modellberäkningar med våra experimentella resultat. Dessutom, vi kan nu mäta hur olika defekter i membranets kristallgitter påverkar dess mekaniska egenskaper, "säger professor Hartmann. Dessa tvådimensionella material har ett betydande löfte om innovativ utveckling inom en mängd olika tekniska sektorer från sensorer och ställdon till filtersystem och bränsleceller. Resultaten och metoderna som utvecklats av teamet i Saarbrücken är därför av stort intresse för många forskningsområden.

Forskarna i Saarbrücken använde ett monolager av grafen som stöddes på ett substrat med en regelbunden uppsättning cirkulära hål. Hartmann förklarar upplägget enligt följande:"Hålen hade en diameter på cirka en mikrometer. Med hjälp av ett scanningstunnelmikroskop (STM) kunde vi analysera det fristående membranet ovanför hålen med atomprecision."

"När en elektrisk spänning appliceras mellan spetsen av STM och det enatomtjocka membranet av grafen, en elektrisk ström flyter, " förklarar Hartmann. Denna ström, som är känd som "tunnelströmmen", är mycket känslig för avståndet mellan mikroskopspetsen och membranprovet och för elektronfördelningen i grafenfilmen. "Vi använder den här effekten för att göra de enskilda atomerna synliga. Tunnelströmmen varierar medan STM-spetsen skannas över materialet." Men forskarna använder sig också av en annan effekt. När en spänning appliceras mellan spetsen på STM och provet, en kraft verkar på det fristående grafenmembranet och det börjar svälla mot spetsen. "När tipset dras tillbaka, det atomärt tunna monoskiktet buktar ut ännu mer, eftersom den effektivt lyfts upp av atomärt precisa pincett. Att mäta membranavböjningen som en funktion av den elektrostatiska dragkraften som genereras av STM ger ett spännings-töjningsdiagram som ger oss de viktigaste mekaniska egenskaperna hos grafenmembranet, " förklarar Hartmann.

"Genom att spela in dessa experimentella spännings-töjningsdiagram, vi har direkt kunnat verifiera de extraordinära mekaniska egenskaper som hittills antagits för dessa material. Och vi kunde göra detta med krafter i storleksordningen en miljarddels Newton – långt, mycket mindre än någon kraft som används i en konventionell mekanisk mätning, " säger Hartmann. Forskarna kunde också visa att när en kraft applicerades på ett fristående membran av grafen, membranet uppförde sig inte som den släta huden på ett vattenkokare utan såg mycket mer ut som en sjöns krusiga yta. Membranen uppvisar en rad vågliknande rörelser och de reagerar på eventuella yttre störningar genom att generera nya krusningar i membranets yta. "