Ihmemateriaali grafeeni taottiin laservalolla ennätysjäykäksi tukirakenteeksi
Grafeenin erinomaisia ominaisuuksia ovat sähkön- ja lämmönjohtokyky, läpinäkyvyys ja mekaaninen kestävyys. Teräkseen verrattuna sillä on 200-kertainen vetolujuus, mikä tekee siitä nanomekaanisiin sovelluksiin sopivan materiaalin.
Toistaiseksi grafeenin kolmiulotteiset rakenteet ovat kuitenkin olleet epävakaita ja vaikeasti valmistettavia. Kokeellisissa tutkimuksissaan Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijaryhmä onnistui jäykistämään laservalon avulla kaksiulotteisesta grafeenia ennätyksellisen jäykäksi kolmiulotteiseksi materiaaliksi. Tuloksena oli tuhansia kertoja jäykempää 3-ulotteista materiaalia, joka edelleen on atominohutta.
Optiseksi taonnaksi kutsutaan menetelmää, jossa grafeeniin kohdistetaan voimakkaita lyhyitä laserpulsseja. Lasersäteilytys aiheuttaa grafeeniin kidevirheitä eli rikkoo atomirakenteen. Näin grafeenin kaksiulotteinen rakenne muuttuu kolmiulotteiseksi.
Mittauksissa selvisi, että taotun grafeenin taivutusjäykkyys kasvoi jopa viidellä kertaluokalla eli satatuhatkertaisesti, mikä on lajissaan uusi maailmanennätys.
”Aluksi olimme epäluuloisia kokeiden tuloksista ja siitä mitä olimme saaneet aikaiseksi. Lopulta ymmärsimme, miten merkittävästä ilmiöstä on kyse”, sanoo tutkimusta johtanut tohtori Andreas Johansson Nanotiedekeskuksesta.
Jäykistetty grafeeni avaa monia väyliä uusille sovelluksille
Laskennallinen mallinnus osoitti, että taivutusjäykkyyden lisääntyminen aiheutui laserin synnyttämien kidevirheiden synnyttämistä venymistä ja aaltoiluista.
”Jäykistymismekanismin yleinen periaate on selvillä, mutta tarvitsemme vielä lisää tutkimusta ymmärtääksemme kidevirheiden syntymisen atomitasolla”, sanoo kokeiden laskennallisesta mallinnuksesta vastannut professori Pekka Koskinen Nanotiedekeskuksesta.
Jäykistetty grafeeni avaa monia väyliä uusille sovelluksille. Sitä voidaan hyödyntää nanomekaanisssa tukirakenteissa tai nanomekaanisten värähtelijöiden taajuuden kasvattamisessa GHz:n taajuusalueelle. Kevyttä ja vahvaa materiaalia voidaan hyödyntää esimerkiksi myös nanokokoisten suonensisäisten lääkeaineiden kuljettimien valmistuksessa.
”Jos ajattelemme että grafeeni vastaa paperia, niin tällöin optisesti taottu grafeeni ikään kuin vastaa aaltopahvia. Ja mehän tunnemme vallan hyvin kuinka aallottaminen lisää paperin käyttömahdollisuuksia”, sanoo Pekka Koskinen.
”Lisäksi optinen taonta on menetelmänä erityisen tehokas, koska sillä voidaan jäykistää grafeenia juuri siellä mistä halutaan”, sanoo professori Mika Pettersson.
”Seuraavaksi vain mielikuvitus on rajanamme. Ryhdymme miettimään, millaisia erilaisia rakenteita ja sovelluksia optisella taonnalla voisikaan valmistaa”, hän jatkaa.
Tutkimus julkaistiin Nature Partner Journals –julkaisuihin kuuluvassa -lehdessä toukokuussa 2021.
äپٴᲹ:
Andreas Johansson, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, andreas.johansson@jyu.fi, puh. +358 50 805 4496
Pekka Koskinen, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, pekka.j.koskinen@jyu.fi, puh. +358 40 805 4089
Mika Pettersson, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, mika.j.pettersson@jyu.fi, puh. +358 50 310
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Viestinnän asiantuntija Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 472 1162
/science/fi
jyuscience jyuscience jyuscience