石墨烯是一种超薄材料,具有超微小弯曲模量、超超薄性等特点。现在,Jyväskylä大学纳米科学中心的研究人员展示了一种叫做光学锻造的实验技术如何使石墨烯变得非常坚硬,将其硬度提高几个数量级。该研究于2021年5月发表在《npj 2D材料与应用》杂志上。


石墨烯是一种原子薄的碳材料,具有优良的性能,如大载流子迁移率、极好的导热性和高的光学透明度。它的抗渗性和抗拉强度是钢的200倍,因此适合纳米力学应用。不幸的是,它异常脆弱,使得任何三维结构都极不稳定,难以制造。


这些困难现在可能已经结束了,因为Jyväskylä大学纳米科学中心的一个研究小组已经演示了如何使用一种专门开发的激光疗法使石墨烯变得非常坚硬。这种硬化为这种神奇的材料开辟了全新的应用领域。


该研究小组此前曾利用脉冲飞秒激光成像方法(称为光学锻造)制备了三维石墨烯结构。激光辐照使石墨烯晶格产生缺陷,进而使晶格膨胀,形成稳定的三维结构。在这里,研究小组使用光学锻造对单层石墨烯膜进行修饰,使其像鼓皮一样悬浮,并使用纳米压痕法测量其力学性能。

光学锻造将超薄石墨烯转变为超硬石墨烯 为新应用开辟了道路

光学锻造将超薄石墨烯转变为超硬石墨烯 为新应用开辟了道路

测量结果显示,与原始石墨烯相比,石墨烯的弯曲刚度增加了5个数量级,这是一个新的世界纪录。


一开始,我们甚至没有理解我们的结果。我们花了很长时间才理解光锻造对石墨烯的实际影响。然而,逐渐地,我们开始意识到其影响的严重性,Andreas Johansson博士说,他领导了表征光学伪造石墨烯特性的工作。


顶部-光学锻造前后悬浮石墨烯鼓皮的原子力显微镜图像。底部-波纹状材料如何变得更硬的模拟表示。


硬化石墨烯为新应用开辟了道路


分析表明,在光学锻造过程中,石墨烯层中的应变工程波纹会引起弯曲刚度的增加。作为研究的一部分,对波纹状石墨烯膜进行了薄板弹性建模,结果表明,在石墨烯晶格中诱发缺陷的水平上,硬化发生在微米和纳米尺度上。


执行建模的Pekka Koskinen教授说,整体机制很清楚,但要弄清缺陷产生的全部原子细节仍需进一步研究。


硬化的石墨烯为新颖的应用开辟了途径,例如制造微机电支架结构或控制高达GHz范围的石墨烯膜谐振器的机械谐振频率。由于石墨烯是轻质,坚固且不可渗透的,因此一种潜力是在石墨烯薄片上使用光学锻造以制造用于静脉内药物转运的微米级笼状结构。


光学锻造方法特别强大,因为它可以将硬化的石墨烯特征精确地直接写入您想要的位置,负责监督新技术发展的Mika Pettersson教授说,并继续说道,我们的下一步将是扩展我们的想象力,尝试光学锻造,看看我们可以制造什么石墨烯器件。


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