Grafeenista voidaan muovata laserpulssein myös erittäin jäykkiä kolmiulotteisia rakenteita, selviää Jyväskylän yliopiston FM Vesa-Matti Hiltunen väitöskirjatutkimuksesta. Uudella keinolla voidaan valmistaa maailman ohuimmasta ihmemateriaalista entistä nopeampia ja tarkempia mekaanisia laitteita.

Grafeenilla on lukuisia erinomaisia ominaisuuksia, kuten sen sähkönjohtokyky, läpinäkyvyys ja mekaaninen kestävyys. Näistä seikoista johtuen grafeenia on kaavailtu käytettäväksi lukuisissa sovelluksissa, esimerkiksi sähkön varastoinnissa, herkissä mittalaitteissa sekä tietoliikennekomponenteissa.

Laajaan tietoisuuteen grafeeni päätyi viimeistään vuonna 2010, kun sen löytäneille tutkijoille myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto. Grafeeni on vain yhden atomikerroksen paksuinen ja siten maailman ohuin materiaali.

FM Vesa-Matti Hiltunen tutki väitöskirjatyössään, kuinka grafeenin muotoa ja ominaisuuksia voidaan muokata altistamalla se erittäin lyhyille mutta voimakkaille laserpulsseille. Laserpulssien vaikutuksesta normaalisti täysin kaksiulotteisesta grafeenista voidaan valmistaa kolmiulotteisia rakenteita.

Optisen taonnan tuloksena havaittiin, että grafeeni jäykistyy niin, että sitä on vaikeampi taivuttaa. Tämä on mielenkiintoinen havainto, sillä jäykistyminen kasvattaa grafeenin mekaanista värähtelytaajuutta.

Värähtelytaajuuden kasvattaminen puolestaan voi parantaa mekaanisten laitteiden nopeutta ja tarkkuutta, eli niistä voidaan tulevaisuudessa valmistaa esimerkiksi herkempiä mittalaitteita tai nopeampia tietoliikennelaitteita.

Laservalo jäykistää grafeenia  ”Optista taontaa käyttämällä onnistuimme valmistamaan rakenteita, jotka olivat jopa 10 000 kertaa jäykemmät kuin muokkaamaton grafeeni. Se on ennätyksellisen paljon näin ohuelle materiaalille”, Vesa-Matti Hiltunen kertoo.

Kun grafeenia altistetaan laserille tarpeeksi kauan, pistemäisistä virheistä muodostuu viivamaisia säröjä. Säröt grafeenin rakenteessa puolestaan johtavat sen paikalliseen laajentumiseen ja pullistumiseen kolmiulotteisiksi rakenteiksi.

”Tutkimukset antoivat runsaasti uutta tietoa, kuinka grafeenin muotoa ja ominaisuuksia voidaan muokata. Menetelmän vahvuutena on, ettei siihen tarvita monimutkaisia prosesseja tai kemiallisia käsittelyjä. Muutokset saadaan aikaan pelkästään laservalolla”, Hiltunen summaa.

Lisää: Modification of graphene properties by optical forging -väitöskirjatyö  (LINKKI) ja -tilaisuus verkossa 26.3.2021 klo 12.00 (LINKKI, Zoom/Crome).