Graphen: Je mehr Sie es biegen, desto weicher wird es

21.11.2019 - USA

Neue Forschungen an der University of Illinois kombinieren atomare Experimente mit Computermodellen, um festzustellen, wie viel Energie zum Biegen von mehrschichtigem Graphen benötigt wird - eine Frage, die sich den Wissenschaftlern seit der ersten Isolierung von Graphen entzogen hat.

Graphen - eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die in einem Gitter angeordnet ist - ist das stärkste Material der Welt und so dünn, dass es flexibel ist, sagten die Forscher. Sie gilt als eine der Schlüsselkomponenten der Zukunftstechnologien.

Der größte Teil der aktuellen Forschung zu Graphen zielt auf die Entwicklung nanoskaliger elektronischer Geräte ab. Doch viele Technologien - von der dehnbaren Elektronik bis hin zu winzigen Robotern, die so klein sind, dass sie mit bloßem Auge nicht zu sehen sind - erfordern ein Verständnis der Mechanik des Graphens, insbesondere wie es sich biegt und biegt, um sein Potenzial zu entfalten.

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"Die Biegesteifigkeit eines Materials ist eine seiner grundlegendsten mechanischen Eigenschaften", sagt Edmund Han, Dipl.-Ing. der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und Studienko-Autor. "Obwohl wir Graphen seit zwei Jahrzehnten studieren, müssen wir diese sehr grundlegende Eigenschaft noch lösen. Der Grund dafür ist, dass verschiedene Forschungsgruppen unterschiedliche Antworten gefunden haben, die sich über Größenordnungen erstrecken."

Das Team entdeckte, warum die bisherigen Forschungsanstrengungen nicht übereinstimmten. "Sie haben das Material entweder ein wenig gebogen oder stark gebogen", sagte Jaehyung Yu, ein Absolvent der Maschinen- und Ingenieurwissenschaften und Studienko-Autor. "Aber wir haben festgestellt, dass sich Graphen in diesen beiden Situationen unterschiedlich verhält. Wenn Sie mehrschichtiges Graphen ein wenig biegen, wirkt es eher wie eine steife Platte oder ein Stück Holz. Wenn man ihn stark biegt, wirkt er wie ein Papierstapel, in dem die Atomschichten aneinander vorbei gleiten können."

"Das Spannende an dieser Arbeit ist, dass sie zeigt, dass, obwohl alle anderer Meinung waren, sie tatsächlich alle richtig waren", sagte Arend van der Zande, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen und Studienko-Autor. "Jede Gruppe maß etwas anderes. Was wir entdeckt haben, ist ein Modell, um all die Meinungsverschiedenheiten zu erklären, indem wir zeigen, wie sie alle durch unterschiedliche Biegungsgrade miteinander verbunden sind."

Um das gebogene Graphen herzustellen, fertigte Yu einzelne Atomschichten aus hexagonalem Bornitrid, einem weiteren 2D-Material, in atomaren Schritten an und prägte das Graphen dann über die Oberseite. Mit einem fokussierten Ionenstrahl schnitt Han eine Materialscheibe ab und bildete die Atomstruktur mit einem Elektronenmikroskop ab, um zu sehen, wo jede Graphenschicht lag.

Das Team entwickelte dann einen Satz von Gleichungen und Simulationen, um die Biegesteifigkeit anhand der Form der Graphenbiegung zu berechnen.

Indem sie mehrere Schichten Graphen über eine nur ein bis fünf Atome hohe Stufe drapierten, schufen die Forscher eine kontrollierte und präzise Methode, um zu messen, wie sich das Material in verschiedenen Konfigurationen über die Stufe biegen würde.

"In dieser einfachen Struktur sind zwei Arten von Kräften beim Biegen des Graphens beteiligt", sagt Pinshane Huang, Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen und Studienko-Autor. "Adhäsion oder die Anziehungskraft von Atomen auf die Oberfläche versucht, das Material nach unten zu ziehen. Je steifer das Material, desto mehr wird es versuchen, wieder nach oben zu springen und dem Zug der Haftung zu widerstehen. Die Form, in der das Graphen die atomaren Schritte übernimmt, kodiert alle Informationen über die Steifigkeit des Materials."

Die Studie kontrollierte systematisch genau, wie stark sich das Material verbog und wie sich die Eigenschaften des Graphens änderten.

"Da wir Graphen untersucht haben, das in verschiedenen Mengen gebogen wurde, konnten wir den Übergang von einem Regime zum anderen, von starr zu flexibel und von Platten- zu Blechverhalten sehen", sagte der Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen Elif Ertekin, der den Teil der Forschung, der die Computermodellierung leitete. "Wir haben atomare Modelle gebaut, um zu zeigen, dass dies der Grund dafür sein könnte, dass die einzelnen Schichten übereinander gleiten können. Als wir diese Idee hatten, konnten wir mit dem Elektronenmikroskop den Schlupf zwischen den einzelnen Schichten bestätigen."

Die neuen Ergebnisse haben Auswirkungen auf die Schaffung von Maschinen, die klein und flexibel genug sind, um mit Zellen oder biologischem Material zu interagieren, sagten die Forscher.

"Zellen können ihre Form verändern und auf ihre Umgebung reagieren, und wenn wir uns in Richtung Mikroroboter oder Systeme bewegen wollen, die die Fähigkeiten biologischer Systeme haben, brauchen wir elektronische Systeme, die ihre Formen verändern und auch sehr weich sein können", sagte van der Zande. "Durch die Nutzung von Zwischenlagenschlupf haben wir gezeigt, dass das Graphen um Größenordnungen weicher sein kann als herkömmliche Materialien gleicher Dicke."

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