Ny forskning från ingenjörer vid University of Illinois kombinerar experiment i atomskala med datormodellering för att avgöra hur mycket energi det tar att böja flerskikts grafen-en fråga som har undvikit forskare sedan grafen först isolerades. Fynden redovisas i tidskriften Naturmaterial .

Grafen - ett enda lager av kolatomer ordnade i ett gitter - är det starkaste materialet i världen och så tunt att det är flexibelt, sa forskarna. Det anses vara en av nyckelingredienserna i framtida teknologier.

Det mesta av den aktuella forskningen om grafen är inriktad på utvecklingen av elektroniska enheter i nanoskala. Än, forskare säger att många tekniker - från töjbar elektronik till små robotar så små att de inte kan ses med blotta ögat - kräver förståelse för grafens mekanik, särskilt hur den böjer sig och böjer sig, för att frigöra sin potential.

"Böjstyvheten hos ett material är en av dess mest grundläggande mekaniska egenskaper, sade Edmund Han, en doktorand i materialvetenskap och teknik och medförfattare. "Även om vi har studerat grafen i två decennier, vi har ännu inte löst denna mycket grundläggande egenskap. Anledningen är att olika forskargrupper har kommit fram till olika svar som sträcker sig över storleksordningar."

Teamet upptäckte varför tidigare forskningsinsatser inte var överens. "De böjde antingen materialet lite eller böjde det mycket, " sa Jaehyung Yu, en mekanisk vetenskap och ingenjörsstudent och studiemedförfattare. "Men vi fann att grafen beter sig olika i dessa två situationer. När du böjer flerskiktsgrafen lite, den fungerar mer som en styv tallrik eller en träbit. När du böjer det mycket, det fungerar som en bunt papper där atomskikten kan glida förbi varandra."

"Det som är spännande med det här arbetet är att det visar att även om alla inte var överens, de hade faktiskt alla rätt, sade Arend van der Zande, professor i mekanisk vetenskap och teknik och studieförfattare. "Varje grupp mätte något annorlunda. Det vi har upptäckt är en modell för att förklara all oenighet genom att visa hur de alla förhåller sig tillsammans genom olika grader av böjning."

För att göra den böjda grafenen, Yu tillverkade individuella atomlager av hexagonal bornitrid, ett annat 2D-material, i atomskala steg, stämplade sedan grafenen över toppen. Med hjälp av en fokuserad jonstråle, Han skar en skiva material och avbildade atomstrukturen med ett elektronmikroskop för att se var varje grafenlager satt.

Teamet utvecklade sedan en uppsättning ekvationer och simuleringar för att beräkna böjstyvheten med formen på grafenböjningen.

Genom att drapera flera lager av grafen över ett steg bara en till fem atomer högt, forskarna skapade ett kontrollerat och exakt sätt att mäta hur materialet skulle böjas över steget i olika konfigurationer.

"I denna enkla struktur, det finns två sorters krafter som är inblandade i att böja grafen, sa Pinshane Huang, en materialvetenskap och ingenjörsprofessor och studiemedförfattare. "Adhesion, eller attraktionen av atomer till ytan, försöker dra ner materialet. Ju styvare material, ju mer det kommer att försöka dyka upp, motstå vidhäftningsdraget. Formen som grafenen tar över atomstegen kodar för all information om materialets styvhet."

Studien kontrollerade systematiskt exakt hur mycket materialet böjde sig och hur grafenens egenskaper förändrades.

"Eftersom vi studerade grafen böjd i olika mängder, vi kunde se övergången från en regim till en annan, från styvt till flexibelt och från plåt till plåt beteende, " sa professor i mekanisk vetenskap och teknik, Elif Ertekin, som ledde datormodelleringsdelen av forskningen. "Vi byggde modeller i atomskala för att visa att anledningen till att detta kan hända är att de enskilda lagren kan glida över varandra. När vi hade den här idén, vi kunde använda elektronmikroskopet för att bekräfta glidningen mellan de enskilda lagren."

De nya resultaten har konsekvenser för skapandet av maskiner som är små och flexibla nog att interagera med celler eller biologiskt material, sa forskarna.

"Celler kan ändra form och reagera på sin miljö, och om vi vill röra oss i riktning mot mikrorobotar eller system som har förmågan hos biologiska system, vi måste ha elektroniska system som kan ändra form och vara väldigt mjuka också, ", sa van der Zande. "Genom att dra fördel av mellanskiktsglidning, vi har visat att grafen kan vara storleksordningar mjukare än konventionella material av samma tjocklek."