Автор AZoNano 28 мая 2021 г.

Графен – это ультратонкий материал, характеризующийся сверхмалым модулем изгиба и сверхтонкостью. Теперь исследователи из Нанонаучного центра Университета Ювяскюля продемонстрировали, как экспериментальный метод, называемый оптической ковкой, может сделать графен сверхжестким, повысить его жесткость на несколько порядков. Исследование было опубликовано в npj 2D Materials and Applications в мае 2021 года.

Графен представляет собой атомарно тонкий углеродный материал, обладающий превосходными свойствами, такими как большая подвижность носителей заряда, превосходная теплопроводность и высокая оптическая прозрачность. Его непроницаемость и прочность на растяжение в 200 раз больше, чем у стали, что делает его пригодным для наномеханических применений. К сожалению, его исключительная непрочность делает любые трехмерные конструкции заведомо нестабильными и сложными в изготовлении.

Эти трудности теперь могут быть преодолены, поскольку исследовательская группа в Центре нанонауки Университета Ювяскюля продемонстрировала, как сделать графен сверхжестким с помощью специально разработанной лазерной обработки. Такое усиление открывает совершенно новые области применения этого чудо-материала.

Та же группа ранее подготовила трехмерные графеновые структуры с использованием метода импульсного фемтосекундного лазерного формирования рисунка, называемого оптической ковкой. Лазерное облучение вызывает дефекты в решетке графена, которая, в свою очередь, расширяет решетку, создавая стабильные трехмерные структуры. Здесь группа использовала оптическую ковку для модификации однослойной графеновой мембраны, подвешенной как кожа барабана, и измерила ее механические свойства с помощью наноиндентирования.

Измерения показали, что изгибная жесткость графена увеличилась на пять порядков по сравнению с чистым графеном, что является новым мировым рекордом.

«Сначала мы даже не поняли наших результатов. Потребовалось время, чтобы осознать, что на самом деле сделала оптическая ковка для графена. Однако постепенно мы начали осознавать всю серьезность последствий» говорит доктор Андреас Йоханссон, который руководил работой по характеристике свойств оптически кованного графена.

Укрепленный графен открывает возможности для новых приложений

Анализ показал, что увеличение жесткости на изгиб было вызвано во время оптической ковки гофрами, создающими деформацию, в слое графена. В рамках исследования было выполнено моделирование упругости тонких листов гофрированных графеновых мембран, которое показало, что усиление жесткости происходит как на микро-, так и на наномасштабах, на уровне наведенных дефектов в решетке графена.

«Общий механизм ясен, но раскрытие всех атомистических деталей создания дефектов все еще требует дальнейшего исследования, », – говорит профессор Пекка Коскинен, выполнивший моделирование.

Укрепленный графен открывает возможности для новых приложений, таких как изготовление микроэлектромеханических каркасных структур или управление механической резонансной частотой резонаторов с графеновой мембраной вплоть до режима ГГц. Поскольку графен легкий, прочный и непроницаемый, одним из возможных вариантов является использование оптической ковки на чешуйках графена для создания клеточных структур микрометрового размера для внутривенного транспорта лекарств.

«Метод оптической ковки особенно эффективен, потому что он позволяет напрямую записывать элементы усиленного графена именно в тех местах, где вы хотите», – говорит профессор Мика Петтерссон, курирующий разработку новой техники, . и продолжает: «Нашим следующим шагом будет расширение нашего воображения, поиграться с оптической ковкой и посмотреть, какие графеновые устройства мы можем сделать».

Исследование было опубликовано в npj 2D Materials and Applications в мае 2021 года.

Источник: https://www.jyu.fi/en/frontpage