Giętki jak akordeon, twardy jak diament. Nowa era grafenu nadchodzi

Grafen, dotąd znany z niezwykłej wytrzymałości i przewodnictwa, miał jedną istotną wadę – był zbyt sztywny, by wykorzystać go w elastycznych technologiach przyszłości. Teraz opracowano sposób na “zmiękczenie” tego supermateriału, przekształcając jego strukturę w coś na kształt mikroskopijnego akordeonu. To odkrycie może zrewolucjonizować rynek elektroniki noszonej i urządzeń giętkich.
Grafen

Grafen

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.

Fotografie wykorzystanych mikroskopów. Po lewej: 3-metrowy, skaningowy transmisyjny mikroskop elektronowy Nion Ultra STEM 100 firmy Bruker Corporation podłączony do reszty systemu za pomocą bezpowietrznych metalowych rur. Po prawej: Widok do komory bezpowietrznej zawierającej 11-centymetrowy, mikroskop sił atomowych AFSEM firmy Quantum Design GmbH /Fot. Wael Joudi, Jani Kotakoski

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.

Schematyczna reprezentacja struktury atomowej grafenu. Czarne kule przedstawiają atomy węgla, a szare pręty ilustrują wiązania między nimi. Obszary zaznaczone na szaro przedstawiają luki w materiale, które powodują pofalowanie widoczne w widoku z boku /Fot. Wael Joudi

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.