El grafeno es un material ultrafino que se caracteriza por su módulo de flexión ultrapequeño, superdebilidad. Ahora, los investigadores del Centro de Nanociencia de la Universidad de Jyväskylä han demostrado cómo una técnica experimental llamada forja óptica puede hacer que el grafeno sea ultra rígido. aumentar su rigidez en varios órdenes de magnitud. La investigación fue publicada en Materiales y aplicaciones npj 2D en mayo de 2021.

El grafeno es un material de carbono atómicamente delgado cargado con excelentes propiedades, como la gran movilidad del portador de carga, excelente conductividad térmica, y alta transparencia óptica. Su impermeabilidad y resistencia a la tracción, que es 200 veces mayor que la del acero, lo hacen adecuado para aplicaciones nanomecánicas. Desafortunadamente, su excepcional fragilidad hace que cualquier estructura tridimensional sea notoriamente inestable y difícil de fabricar.

Es posible que estas dificultades hayan terminado ahora, como grupo de investigación en el Centro de Nanociencia de la Universidad de Jyväskylä ha demostrado cómo hacer que el grafeno sea ultra rígido utilizando un tratamiento con láser desarrollado específicamente. Esta rigidez abre áreas de aplicación completamente nuevas para este maravilloso material.

El mismo grupo ha preparado previamente estructuras de grafeno tridimensionales utilizando un método de modelado láser de femtosegundos pulsado llamado forja óptica. La irradiación láser provoca defectos en la red de grafeno, que a su vez expande la celosía, causando estructuras tridimensionales estables. Aquí, el grupo utilizó forja óptica para modificar una membrana de grafeno monocapa suspendida como una piel de tambor y midió sus propiedades mecánicas mediante nanoindentación.

Las mediciones revelaron que la rigidez a la flexión del grafeno aumentó hasta cinco órdenes de magnitud en comparación con el grafeno prístino. que es un nuevo récord mundial.

"En primer lugar, ni siquiera comprendimos nuestros resultados. Tomó tiempo digerir lo que la forja óptica había hecho realmente con el grafeno. Sin embargo, gradualmente, la gravedad total de las implicaciones comenzó a caer en nosotros, "dice el Dr. Andreas Johansson, quien dirigió el trabajo sobre la caracterización de las propiedades del grafeno ópticamente forjado.

El grafeno endurecido abre caminos para aplicaciones novedosas

El análisis reveló que el aumento de la rigidez a la flexión se indujo durante el forjado óptico mediante corrugaciones de ingeniería de deformación en la capa de grafeno. Como parte del estudio, Se realizó un modelado de elasticidad en láminas delgadas de las membranas de grafeno corrugado, mostrando que la rigidez ocurre tanto en la micro y nanoescala, al nivel de los defectos inducidos en la red de grafeno.

"El mecanismo general es claro, pero aún se necesita más investigación para desentrañar todos los detalles atomísticos de la creación de defectos, "dice el profesor Pekka Koskinen, quien realizó el modelado.

El grafeno endurecido abre caminos para aplicaciones novedosas, como la fabricación de estructuras de andamios microelectromecánicos o la manipulación de la frecuencia de resonancia mecánica de los resonadores de membrana de grafeno hasta el régimen de GHz. fuerte e impermeable, una posibilidad es utilizar la forja óptica en escamas de grafeno para hacer estructuras de jaulas a escala micrométrica para el transporte de fármacos por vía intravenosa.

"El método de forja óptica es particularmente poderoso porque permite la escritura directa de características de grafeno endurecido precisamente en los lugares donde las desea, "dice el profesor Mika Pettersson, que supervisa el desarrollo de la nueva técnica. "Nuestro próximo paso será expandir nuestra imaginación, jugar con la forja óptica, y ver qué dispositivos de grafeno podemos hacer ".