Grafeeni laservalolla ennätysjäykäksi – uusia 3D-rakenteita ja GHz-värähtelijöitä

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat onnistuvat jäykistämään ihmemateriaaliksi sanottua grafeenia muokkaamalla sitä laservalolla ns. optisena taontana. Jäykkyyden kautta materiaalia voidaan käyttää nanomittakaavan 3D-tukirakenteissa tai tietoliikenteen mekaanisissa värähtelijöissä.

Kuvassa atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Siinä grafeeniin kohdistettiin voimakkaita lyhyitä laserpulsseja.  Lasersäteilytys aiheuttaa grafeeniin kidevirheitä eli rikkoo atomirakenteen.

”Aluksi olimme epäluuloisia kokeiden tuloksista ja siitä mitä olimme saaneet aikaiseksi. Lopulta ymmärsimme, miten merkittävästä ilmiöstä on kyse”, sanoo tutkimusta johtanut tohtori Andreas Johansson Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksesta.

Mittauksissa selvisi, että taotun grafeenin taivutusjäykkyys kasvoi jopa viidellä kertaluokalla eli satatuhatkertaisesti, mikä on lajissaan uusi maailmanennätys.

Tuloksena oli tutkijoiden mukaan tuhansia kertoja jäykempää kolmiulotteista materiaalia, joka edelleen on atominohutta.

Kuvissa demostroidaan käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen

”Jäykistymismekanismin yleinen periaate on selvillä, mutta tarvitsemme vielä lisää tutkimusta ymmärtääksemme kidevirheiden syntymisen atomitasolla”, sanoo laskennallisesta mallinnuksesta vastannut  professori Pekka Koskinen yliopiston Nanotiedekeskuksesta.

Jäykistetty grafeeni avaa monia väyliä uusille sovelluksille. Sitä voidaan hyödyntää nanomekaanisissa tukirakenteissa tai nanomekaanisten värähtelijöiden taajuuden kasvattamisessa GHz:n taajuusalueelle.

Lisäksi kevyttä ja vahvaa materiaalia voidaan hyödyntää myös nanokokoisten suonensisäisten lääkeaineiden kuljettimien valmistuksessa, mutta sovelluksia löytynee lisää. ”Seuraavaksi vain mielikuvitus on rajanamme. Ryhdymme miettimään, millaisia erilaisia rakenteita ja sovelluksia optisella taonnalla voisikaan valmistaa”, sanoo Nanotiedekeskuksen professori Mika Pettersson.

Lisää: Jyväskyläläistutkijoiden tiedeartikkeli  Nature Partner Journals –julkaisusarjassa toukokuussa 2021 (LINKKI).

Taustaa: Grafeenin tärkeimpiä ominaisuuksia ovat sähkön- ja lämmönjohtokyky, läpinäkyvyys ja mekaaninen kestävyys. Teräkseen verrattuna sillä on 200-kertainen vetolujuus, mikä tekee siitä juuri nanomekaanisiin sovelluksiin sopivan materiaalin. Toistaiseksi grafeenin kolmiulotteiset rakenteet ovat olleet epävakaita ja vaikeasti valmistettavia.

Kuva: Atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Alakuva kuvaa käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen