Grafen är ett spännande nytt material, som har karakteriserats som ett "undermaterial" på grund av sina utmärkta egenskaper. Grafen fick stor uppmärksamhet 2010 när Nobelpriset i fysik delades ut till forskare som upptäckte det. Grafen är bara ett atomlager tjockt vilket gör det till världens tunnaste material. I sin avhandling, Vesa-Matti Hiltunen visade att grafen kunde 'smidas' med laserljus. Detta skapar mycket styva tredimensionella strukturer av grafen, som potentiellt kan användas för att göra snabbare och mer exakta mekaniska enheter.

Grafen har flera utmärkta egenskaper, såsom elektrisk ledningsförmåga, transparens och mekanisk styrka. På grund av dessa egenskaper, grafen har tänkt användas i olika applikationer, i energilagring, sensorer eller kommunikationsteknik.

Civilingenjör Vesa-Matti Hiltunen har studerat i sin Ph.D. hur form och egenskaper hos grafen kan modifieras genom att utsätta den för mycket korta men kraftfulla laserpulser. På grund av laserpulserna, normalt helt tvådimensionell grafen kan gjutas till tredimensionella strukturer.

"Vi kallar den här metoden optisk smide, eftersom det liknar hur platt plåt kan smidas till tredimensionella former med en hammare. Strukturer som är gjorda med optisk smide är hundratals gånger högre än tjockleken på grafen, men ändå så små att de passar lätt, till exempel, på ett hår, säger Vesa-Matti Hiltunen.

Laserljus förstyvar grafen

Enheter som kan tillverkas av grafen är, till exempel, olika sensorer som fungerar genom att vibrera mekaniskt. Optisk smide upptäcktes för att förstyva grafen så att det inte böjs så lätt. Detta är en intressant observation, eftersom ökningen av böjstyvhet också ökar vibrationsfrekvensen för grafen. Ökad frekvens, i tur och ordning, kan förbättra hastigheten och precisionen för de enheter som tillverkas av den.

"Genom att använda optisk smide kunde vi skapa strukturer som är upp till 10 000 gånger styvare än omodifierad grafen. Detta är rekord för ett material så tunt som detta, säger Hiltunen.

Form är ett resultat av förändringar i atomär skala

Under studien, det upptäcktes att optisk smide orsakar gallerdefekter till grafen, dvs grafenstrukturen bryts upp.

Grafen börjar bryta från slumpmässiga punkter. Om grafen utsätts för laserljus under tillräckligt lång tid, prickliknande defekter formas till linjedefekter, eller sprickor. Defekterna leder till lokal expansion av grafen, vilket gör att grafen buktar ut till tredimensionella former.

"Forskningen gav massor av insikter i hur formen på grafen och dess egenskaper kan förändras. En stor styrka med metoden är att för att modifiera grafen, inga komplexa processer eller kemiska behandlingar behövs. Laserljus är allt som behövs, " sammanfattar Hiltunen.