Voltimine tugevdab grafeeni veelgi

Teadlased leidsid hiljuti, et grafeeni nanoribade kokkuvoltimine struktuurideks, mida nimetatakse inglise keeles grafoldiks(ingl. k gra – grafeen, fold – volt, voltima), teeb selle imematerjali veelgi tugevamaks.

Hiinas asuvate Fuijani Tavaülikooli ja Xiameni Ülikooli teadlased avaldasid hiljuti teadusajakirjas Nanotechnology artikli, milles kirjeldatakse grafeenipõhiste nanomaterjalide uut valmistamist. ,,Hetkel tegelevad paljud teadlased grafeeni dopeerimise, alkeemia ja muuga. Me demonstreerisime, et huvitavate tulemusteni võib viia ka lihtsalt selle struktuuri ümberkorrastamine,” sõnas Yongping Zheng, üks uurimuse läbiviijaid.

Oma uurimuses kasutasid teadlased grafoldi uurimiseks molekulaardünaamilisi simulatsioone. Nad võrdlesid grafeeni ja grafoldi kahest aspektist: pinge(jõud, mis materjali laiali tõmbab) ning surve(jõud, mis materjali kokku surub). Võime nii pikenemise kui ka kokkusurumise korral kahjustamata jääda on tehnilistes rakendustes väga oluline. Grafeenil on aga vaid suur tõmbetugevus; oma kahedimensionaalse loomuse tõttu on see surve all pehme ning seda ei saa kokku suruda.

Teadlaste simulatsioonid näitasid aga, et grafold on tugevam kui grafeen ning kannatab palju suuremat survet(10-25 GPa sõltuvalt grafoldi struktuurist; võrdluseks: grafeen kannatab vaid 2 GPa). Kuigi selle võime survele vastu panna on suurem kui grafeenil, on selle tõmbetugevus grafeeni omale lähedane. Grafoldi Youngi moodul(näitab materjali elastsust) ja mõranemispinge on grafeeni omast aga veidi madalamad. Teadlased panid lisaks tähele, et mitmed teised materjalid kannatavad suuremat survet kui grafold, nende hulgas näiteks süsinik nanotorud, mida saab grafoldi-sarnaselt venitada ja ka kokku suruda.

,,Nagu juba hästi teatakse, siis ei kannata grafeen mingit survet,” selgitas Zheng. ,,Voltimise abil saab grafeenist grafold ning seda saab mingil määral ka surve alla asetada. Ka tugeva surve all ei lähe see mitte katki, vaid surutakse lühemaks volditud ribaks. Lisaks kõigele on see deformatsioon elastne.”

Grafoldi eeliseks on ka see, et grafeen nanoribade voltimine grafoldi valmistamiseks on palju kergem kui selle rulli keeramine, et süsinik nanotorusid valmistada. Lisaks saab grafoldi mehaanilisi omadusi voltimistehnika muutmise abil modifitseerida – muuta võib näiteks voltide suurust, kuju ning arvu.

Kokkuvõttes annavad simulatsiooni tulemused uusi viise grafeenipõhiste nanomaterjalide omaduste kontrollimiseks, rajades teed uute kõrgtehnoloogiliste mehaaniliste rakendusteni. Teadlased loodavad grafoldi ka lähiajal eksperimentaalselt valmistada.

,,Rakendusi võib olla palju. Näiteks võib kasutada ära grafoldi elastsust ning madalat kuni keskmist jäikust ära rakendustes, mis vajavad suurt summutamist,” võttis Zheng asja kokku.

Teadusartiklid: “Multiply Folded Graphene” & “Mechanical properties of grafold: a demonstration of strengthened graphene“