Graphen wird durch optisches Schmieden ultrastabil
Versteiftes Graphen eröffnet ganz neue Anwendungsbereiche
Forscher am Nanoscience Center der Universität Jyväskylä haben gezeigt, wie eine experimentelle Technik, genannt optisches Schmieden, Graphen ultrastarr machen kann und seine Steifigkeit um mehrere Größenordnungen erhöht. Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift npj 2D Materials and Applications im Mai 2021 veröffentlicht.
Oben - rasterkraftmikroskopische Aufnahmen der aufgehängten Graphen-Trommelhaut vor und nach dem optischen Schmieden. Unten - analoge Darstellung, wie ein Material steifer werden kann, wenn es geriffelt wird.
University of Jyväskylä/Pekka Koskinen, Vesa-Matti Hiltunen
Graphen ist ein atomar dünnes Kohlenstoffmaterial, das mit exzellenten Eigenschaften wie einer großen Ladungsträgerbeweglichkeit, hervorragender Wärmeleitfähigkeit und hoher optischer Transparenz ausgestattet ist. Seine Undurchlässigkeit und eine Zugfestigkeit, die 200-mal höher ist als die von Stahl, machen es für nanomechanische Anwendungen geeignet. Leider macht seine außergewöhnliche Feinheit alle dreidimensionalen Strukturen notorisch instabil und schwierig zu fertigen.
Diese Schwierigkeiten könnten nun ein Ende haben, denn eine Forschungsgruppe am Nanoscience Center der Universität Jyväskylä hat gezeigt, wie man Graphen durch eine speziell entwickelte Laserbehandlung ultrastarr machen kann. Diese Versteifung eröffnet ganz neue Anwendungsbereiche für dieses Wundermaterial.
Dieselbe Gruppe hat zuvor dreidimensionale Graphenstrukturen mit einer gepulsten Femtosekundenlaser-Strukturierungsmethode, dem sogenannten optischen Schmieden, hergestellt. Die Laserbestrahlung verursacht Defekte im Graphengitter, die wiederum das Gitter ausdehnen, wodurch stabile dreidimensionale Strukturen entstehen. Hier nutzte die Gruppe das optische Schmieden, um eine einlagige Graphenmembran, die wie ein Trommelfell aufgehängt ist, zu modifizieren und ihre mechanischen Eigenschaften mittels Nanoindentation zu messen.
Die Messungen ergaben, dass die Biegesteifigkeit von Graphen im Vergleich zu ursprünglichem Graphen um bis zu fünf Größenordnungen zunahm, was einen neuen Weltrekord darstellt.
"Am Anfang konnten wir unsere Ergebnisse gar nicht begreifen. Es brauchte Zeit, um zu verdauen, was das optische Schmieden tatsächlich für Graphen bewirkt hatte. Aber allmählich dämmerte uns die ganze Tragweite", sagt Dr. Andreas Johansson, der die Arbeit zur Charakterisierung der Eigenschaften des optisch geschmiedeten Graphens leitete.
Versteiftes Graphen eröffnet Wege für neue Anwendungen
Die Analyse ergab, dass die Erhöhung der Biegesteifigkeit während des optischen Schmiedens durch dehnungserzeugende Riffelungen in der Graphenschicht induziert wurde. Als Teil der Studie wurde eine Dünnschicht-Elastizitätsmodellierung der gewellten Graphen-Membranen durchgeführt, die zeigte, dass die Versteifung sowohl auf der Mikro- als auch auf der Nanoskala, auf der Ebene der induzierten Defekte im Graphen-Gitter, stattfindet.
"Der allgemeine Mechanismus ist klar, aber die vollständigen atomistischen Details der Defektbildung zu enträtseln, erfordert noch weitere Forschung", sagt Professor Pekka Koskinen, der die Modellierung durchgeführt hat.
Versteiftes Graphen eröffnet Wege für neuartige Anwendungen, wie die Herstellung von mikroelektromechanischen Gerüststrukturen oder die Manipulation der mechanischen Resonanzfrequenz von Graphenmembran-Resonatoren bis in den GHz-Bereich. Da Graphen leicht, stark und undurchlässig ist, besteht ein Potenzial darin, das optische Schmieden von Graphenflocken zu nutzen, um Käfigstrukturen im Mikrometerbereich für den intravenösen Medikamententransport herzustellen.
"Die Methode des optischen Schmiedens ist besonders leistungsfähig, weil sie das direkte Schreiben von versteiften Graphen-Funktionen genau an den Stellen ermöglicht, an denen man sie haben möchte", sagt Professor Mika Pettersson, der die Entwicklung der neuen Technik beaufsichtigt, und fährt fort: "Unser nächster Schritt wird sein, unsere Vorstellungskraft zu erweitern, mit dem optischen Schmieden herumzuspielen und zu sehen, welche Graphen-Geräte wir herstellen können."
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