Il grafene è un materiale ultrasottile caratterizzato dal suo modulo di flessione ultraridotto, superficialità. Ora i ricercatori del Nanoscience Center dell'Università di Jyväskylä hanno dimostrato come una tecnica sperimentale chiamata forgiatura ottica possa rendere il grafene ultrarigido, aumentare la sua rigidità di diversi ordini di grandezza. La ricerca è stata pubblicata su npj Materiali e applicazioni 2D nel maggio 2021.

Il grafene è un materiale di carbonio atomicamente sottile caricato con proprietà eccellenti, come la grande mobilità del vettore di carica, eccellente conduttività termica, ed elevata trasparenza ottica. La sua impermeabilità e resistenza alla trazione che è 200 volte quella dell'acciaio lo rendono adatto per applicazioni nanomeccaniche. Sfortunatamente, la sua eccezionale fragilità rende le strutture tridimensionali notoriamente instabili e difficili da fabbricare.

Queste difficoltà potrebbero ora essere superate, come gruppo di ricerca presso il Centro di nanoscienze dell'Università di Jyväskylä ha dimostrato come rendere il grafene ultrarigido utilizzando un trattamento laser appositamente sviluppato. Questo irrigidimento apre aree di applicazione completamente nuove per questo meraviglioso materiale.

Lo stesso gruppo ha precedentemente preparato strutture tridimensionali di grafene utilizzando un metodo di modellazione laser a femtosecondi pulsato chiamato forgiatura ottica. L'irradiazione laser provoca difetti nel reticolo di grafene, che a sua volta espande il reticolo, determinando strutture tridimensionali stabili. Qui il gruppo ha utilizzato la forgiatura ottica per modificare una membrana di grafene monostrato sospesa come una pelle di tamburo e ha misurato le sue proprietà meccaniche utilizzando la nanoindentazione.

Le misurazioni hanno rivelato che la rigidità alla flessione del grafene è aumentata fino a cinque ordini di grandezza rispetto al grafene incontaminato, che è un nuovo record mondiale.

"All'inizio, non abbiamo nemmeno compreso i nostri risultati. Ci è voluto del tempo per digerire ciò che la forgiatura ottica aveva effettivamente fatto per il grafene. Però, a poco a poco la gravità delle implicazioni ha cominciato a rendersi conto di noi, " dice il dottor Andreas Johansson, che ha guidato il lavoro sulla caratterizzazione delle proprietà del grafene otticamente forgiato.

Il grafene irrigidito apre nuove strade a nuove applicazioni

L'analisi ha rivelato che l'aumento della rigidità alla flessione è stato indotto durante la forgiatura ottica da ondulazioni di deformazione nello strato di grafene. Nell'ambito dello studio, è stata eseguita la modellazione dell'elasticità a foglio sottile delle membrane ondulate di grafene, mostrando che l'irrigidimento avviene sia su micro che nanoscala, a livello dei difetti indotti nel reticolo del grafene.

"Il meccanismo generale è chiaro, ma per svelare tutti i dettagli atomistici della creazione di difetti sono necessarie ulteriori ricerche, "dice il professor Pekka Koskinen, che ha eseguito la modellazione.

Il grafene irrigidito apre strade a nuove applicazioni, come la fabbricazione di strutture di scaffold microelettromeccaniche o la manipolazione della frequenza di risonanza meccanica dei risonatori a membrana di grafene fino al regime GHz. Con il grafene leggero, forte e impermeabile, un potenziale è quello di utilizzare la forgiatura ottica su scaglie di grafene per realizzare strutture a gabbia su scala micrometrica per il trasporto di farmaci per via endovenosa.

"Il metodo di forgiatura ottica è particolarmente potente perché consente la scrittura diretta di elementi di grafene irrigiditi proprio nei punti in cui li desideri, "dice il professor Mika Pettersson, che sovrintende allo sviluppo della nuova tecnica. "Il nostro prossimo passo sarà quello di allungare la nostra immaginazione, giocare con la forgiatura ottica, e vediamo quali dispositivi al grafene possiamo realizzare".