Grafen, jednoatomowa warstwa węgla o strukturze plastra miodu, jest uznawany za cudowny materiał XXI wieku. Jest twardy jak diament, przewodzi prąd lepiej niż miedź i niemal nie przepuszcza światła. Ale jego ogromna sztywność, wynikająca z silnych wiązań w strukturze heksagonalnej, ograniczała jego zastosowanie w dziedzinach wymagających elastyczności – jak składane ekrany, inteligentne tekstylia czy implanty medyczne.
Czytaj też: Grafenowy asfalt rewolucjonizuje drogi! Wielka Brytania ma pierwszą niezniszczalną nawierzchnię
Zespół badaczy z Uniwersytetu Wiedeńskiego i Politechniki Wiedeńskiej, kierowany przez prof. Jani Kotakoskiego, opracował nowatorską metodę zwiększania elastyczności grafenu poprzez usuwanie wybranych par atomów węgla z jego struktury. W efekcie materiał tworzy mikroskopijne fałdy przypominające miech akordeonu. Gdy tak zmodyfikowany grafen zostaje rozciągnięty, fale się prostują, co pozwala na znacznie większe odkształcenia bez zniszczenia materiału.
Dr Wael Joudi z Uniwersytetu Wiedeńskiego mówi:
Można to sobie wyobrazić jak rozciąganie akordeonu – pofałdowany materiał łatwiej się rozciąga niż ten całkowicie płaski.
Grafen z efektem akordeonu
To, co odróżnia badania zespołu z Wiednia od wcześniejszych prób modyfikowania grafenu, to całkowita eliminacja zanieczyszczeń. Eksperymenty przeprowadzono w specjalnie skonstruowanej komorze beztlenowej, łączącej ultraczyste mikroskopy: transmisyjny mikroskop elektronowy Nion Ultra STEM 100 oraz mikroskop sił atomowych AFSEM, umieszczony w szczelnej, metalowej kapsule.
Czytaj też: Ten nowy supermateriał jest aż 8 razy wytrzymalszy od grafenu
Prof. Jani Kotakoski tłumaczy:
Po raz pierwszy udało się przeprowadzić tak precyzyjny eksperyment w środowisku całkowicie odizolowanym od powietrza atmosferycznego i zawartych w nim cząstek stałych. Bez tego, obce cząstki szybko osiadają na powierzchni grafenu i zaburzają pomiary.
Właśnie obecność tych cząstek – według autorów – mogła wcześniej tłumaczyć rozbieżności w wynikach badań nad elastycznością grafenu. Zanieczyszczenia potrafią zupełnie wyłączyć efekt akordeonu i sprawiać, że materiał wydaje się sztywniejszy, niż jest w rzeczywistości.
Wyniki eksperymentów zostały dodatkowo potwierdzone przez symulacje komputerowe przeprowadzone przez dr Floriana Libischa i mgr Rikę Saskię Windisch z Politechniki Wiedeńskiej. Symulacje wykazały, że lokalne usunięcie pary sąsiadujących atomów wywołuje powstanie charakterystycznych fal, które przechodzą w struktury o zwiększonej podatności na rozciąganie. To właśnie te drobne, kontrolowane deformacje pozwalają “przeprogramować” mechaniczne właściwości grafenu bez naruszania jego wyjątkowej przewodności czy stabilności chemicznej.
Zwiększona elastyczność grafenu to potencjalna rewolucja w wielu dziedzinach. Najbardziej oczywistym zastosowaniem są elastyczne wyświetlacze w składanych smartfonach czy tabletach. Ale jeszcze większy potencjał kryje się w technologiach ubieralnych, gdzie materiał musi łączyć odporność z giętkością. Możliwe są także nowe generacje inteligentnych opatrunków, elastycznych elektrod czy czujników biomedycznych, które mogą współpracować z ciałem człowieka w sposób niedostępny dotąd dla sztywnych komponentów. Ponadto możliwość regulowania sztywności grafenu otwiera zupełnie nowe perspektywy w dziedzinie robotyki miękkiej, gdzie potrzebne są materiały jednocześnie mocne i zdolne do odkształceń.
Artykuł podsumowujący badania opublikowano na łamach czasopisma Physical Review Letters. Według autorów kolejnym krokiem będzie skalowanie technologii oraz sprawdzenie, jak zachowuje się “akordeonowy” grafen w długotrwałym użytkowaniu i pod wpływem różnorodnych warunków środowiskowych.