Grafeenia kolmiulotteisiin muotoihin

Suomalaiset ja taiwanilaiset tutkijat ovat havainneet, miten grafeenia voidaan työstää kolmiulotteisiin muotoihin laservaloa käyttämällä.

"Me kutsumme tätä tekniikkaa optiseksi taonnaksi, koska prosessi muistuttaa metallien muodostamista 3D-muotoisiksi vasaralla. Lasersäteemme on meidän vasara, jolla takoa grafeeni 3D-muotoihin", kertoo kokeilun johtaja professori Mika Pettersson Jyväskylän yliopiston nanotekniikan keskuksesta.

"Tekniikan kauneus on, että se on nopea ja helppokäyttöinen; se ei vaadi lisäkemikaaleja tai -käsittelyä. Tekniikan yksinkertaisuudesta huolimatta olimme aluksi hyvin yllättyneitä, kun havaitsimme, että lasersäde aiheutti näin merkittäviä muutoksia grafeenin suhteen."

Alkuun koedatassa ei tuntunut olevan mitään järkeä, tutkijat kun odottivat merkkejä kemiallisista ilmiöistä. Loppujen lopuksi kyseessä oli pelkästään rakenteelliset ilmiöt, joiden löytymisessä auttoi Taiwanin National Synchrotron Radiation Research Center ja professori Wei Yen Woon.

Uusi 3D-grafieeni on vakaa ja siinä on elektronisia ja optisia ominaisuuksia, jotka poikkeavat normaalista 2D-grafeenista. Optisesti taotut grafeenit voivat auttaa grafeenisten 3D-rakenteiden tuottamisessa.

Tätä ennen grafeenia on saatu kolmiulotteiseksi lähinnä vain mekaanisesti ryttäämällä mikä tuottaa enemmän sattumanvaraisen tuloksen.

Kuitenkin on osoitettu, että grafeenin saaminen selkeään kolmiulotteiseen muotoon voisi merkittävästi muuttaa sen ominaisuuksia ja johtaa uusiin rakenteisiin ja laitteisiin. Näin se tarjoaisi uusia mahdollisuuksia tälle ihmemateriaalille puettavassa elektroniikassa ja biologisissa tai kertakäyttöisissä antureissa.

Johns Hopkinsin yliopiston ja MIT:n yhteisvoimin eräs tutkijaryhmä on kehittänyt itsetaittuvan grafeenin, joka voi muokkautua hyvin määriteltyihin 3D-mikrorakenteisiin.

Pinnaltaan funktionalisoitu grafeeni on mikrokuvioitu ja se taittuu lämpötilalla ohjattuna suunnitelluiksi 3D-rakenteiksi. Lisäksi muodonmuutos on palautuva.

Hallittu muodonmuutos tuo esiin myös materiaalilta muuten puuttuvan kaistaeron ja tutkijat ovatkin rakentaneet sopivista 3D-rakenteista epälineaarisia vastuksia ja rypytettyjä transistorirakenteita sekä kapseloineet sellaiseen eläviä soluja.