Grafen är ett ultratunt material som kännetecknas av sin ultralilla böjningsmodul, superflimmighet. Nu har forskarna vid Nanoscience Center vid Jyväskylä universitet visat hur en experimentell teknik som kallas optisk smide kan göra grafen ultrastyv, öka dess styvhet med flera storleksordningar. Forskningen publicerades i npj 2D-material och applikationer i maj 2021.

Grafen är ett atomärt tunt kolmaterial laddat med utmärkta egenskaper, t.ex. mobilitet för stor laddningsoperatör, utmärkt värmeledningsförmåga, och hög optisk transparens. Dess ogenomtränglighet och draghållfasthet som är 200 gånger högre än stål gör den lämplig för nanomekaniska applikationer. Tyvärr, dess exceptionella tunnhet gör alla tredimensionella strukturer notoriskt instabila och svåra att tillverka.

Dessa svårigheter kan nu vara över, som en forskargrupp vid Nanoscience Center vid Jyväskylä universitet har visat hur man gör grafen ultrastyv med en speciellt utvecklad laserbehandling. Denna förstyvning öppnar upp för helt nya användningsområden för detta underverk.

Samma grupp har tidigare förberett tredimensionella grafenstrukturer med hjälp av en pulsad femtosekund lasermönstringsmetod som kallas optisk smide. Laserbestrålningen orsakar defekter i grafengittret, vilket i sin tur expanderar gallret, orsakar stabila tredimensionella strukturer. Här använde gruppen optisk smide för att modifiera ett monolager grafenmembran upphängt som ett trumskinn och mätte dess mekaniska egenskaper med hjälp av nanoindentation.

Mätningarna visade att böjstyvheten hos grafen ökade upp till fem storleksordningar jämfört med orörd grafen, vilket är nytt världsrekord.

"I början, vi förstod inte ens våra resultat. Det tog tid att smälta vad optisk smide faktiskt hade gjort för grafen. Dock, gradvis började den fulla allvar av implikationerna att gå upp för oss, säger doktor Andreas Johansson, som ledde arbetet med att karakterisera egenskaperna hos den optiskt smidda grafenen.

Förstyvad grafen öppnar vägar för nya tillämpningar

Analys avslöjade att ökningen av böjstyvhet inducerades under optisk smidning av töjningstekniska korrugeringar i grafenskiktet. Som en del av studien, tunnplåts-elasticitetsmodellering av de korrugerade grafenmembranen utfördes, som visar att förstyvningen sker på både mikro- och nanoskala, på nivån för de inducerade defekterna i grafengittret.

"Den övergripande mekanismen är tydlig men att reda ut de fullständiga atomistiska detaljerna för defektframställning kräver fortfarande ytterligare forskning, säger professor Pekka Koskinen, som utförde modelleringen.

Förstyvad grafen öppnar vägar för nya tillämpningar, såsom tillverkning av mikroelektromekaniska ställningsstrukturer eller manipulering av mekanisk resonansfrekvens för grafenmembranresonatorer upp till GHz-regimen. Med grafen som lätt, stark och ogenomtränglig, en potential är att använda optisk smide på grafenflingor för att göra burstrukturer i mikrometerskala för intravenös läkemedelstransport.

"Den optiska smidesmetoden är särskilt kraftfull eftersom den tillåter direkt skrivning av förstyvade grafendetaljer exakt på de platser där du vill ha dem, säger professor Mika Pettersson, som övervakar utvecklingen av den nya tekniken. "Vårt nästa steg blir att tänja på vår fantasi, leka med optiskt smide, och se vilka grafenenheter vi kan göra."