Jyväskylän yliopisto

Ihmemateriaali grafeeni taottiin laservalolla ennätysjäykäksi tukirakenteeksi

Jaa

Grafeeni on erittäin ohutta, vain yhden atomikerroksen paksuista materiaalia. Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijat onnistuivat jäykistämään grafeenia ennätyksellisen paljon muokkaamalla sitä laservalolla. Menetelmää kutsutaan optiseksi taonnaksi. Jäykistäminen avaa uusia mahdollisuuksia grafeenin hyödyntämiseen esimerkiksi nanomittakaavan tukirakenteissa ja mekaanisissa värähtelijöissä.

Yläkuvassa on atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Alakuva kuvaa käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen
Yläkuvassa on atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Alakuva kuvaa käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen

Grafeenin erinomaisia ominaisuuksia ovat sähkön- ja lämmönjohtokyky, läpinäkyvyys ja mekaaninen kestävyys. Teräkseen verrattuna sillä on 200-kertainen vetolujuus, mikä tekee siitä nanomekaanisiin sovelluksiin sopivan materiaalin.

Toistaiseksi grafeenin kolmiulotteiset rakenteet ovat kuitenkin olleet epävakaita ja vaikeasti valmistettavia. Kokeellisissa tutkimuksissaan Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijaryhmä onnistui jäykistämään laservalon avulla kaksiulotteisesta grafeenia ennätyksellisen jäykäksi kolmiulotteiseksi materiaaliksi. Tuloksena oli tuhansia kertoja jäykempää 3-ulotteista materiaalia, joka edelleen on atominohutta.

Optiseksi taonnaksi kutsutaan menetelmää, jossa grafeeniin kohdistetaan voimakkaita lyhyitä laserpulsseja. Lasersäteilytys aiheuttaa grafeeniin kidevirheitä eli rikkoo atomirakenteen. Näin grafeenin kaksiulotteinen rakenne muuttuu kolmiulotteiseksi.

Mittauksissa selvisi, että taotun grafeenin taivutusjäykkyys kasvoi jopa viidellä kertaluokalla eli satatuhatkertaisesti, mikä on lajissaan uusi maailmanennätys.

”Aluksi olimme epäluuloisia kokeiden tuloksista ja siitä mitä olimme saaneet aikaiseksi. Lopulta ymmärsimme, miten merkittävästä ilmiöstä on kyse”, sanoo tutkimusta johtanut tohtori Andreas Johansson Nanotiedekeskuksesta.

Jäykistetty grafeeni avaa monia väyliä uusille sovelluksille

Laskennallinen mallinnus osoitti, että taivutusjäykkyyden lisääntyminen aiheutui laserin synnyttämien kidevirheiden synnyttämistä venymistä ja aaltoiluista.

”Jäykistymismekanismin yleinen periaate on selvillä, mutta tarvitsemme vielä lisää tutkimusta ymmärtääksemme kidevirheiden syntymisen atomitasolla”, sanoo kokeiden laskennallisesta mallinnuksesta vastannut professori Pekka Koskinen Nanotiedekeskuksesta.

Jäykistetty grafeeni avaa monia väyliä uusille sovelluksille. Sitä voidaan hyödyntää nanomekaanisssa tukirakenteissa tai nanomekaanisten värähtelijöiden taajuuden kasvattamisessa GHz:n taajuusalueelle. Kevyttä ja vahvaa materiaalia voidaan hyödyntää esimerkiksi myös nanokokoisten suonensisäisten lääkeaineiden kuljettimien valmistuksessa.

”Jos ajattelemme että grafeeni vastaa paperia, niin tällöin optisesti taottu grafeeni ikään kuin vastaa aaltopahvia. Ja mehän tunnemme vallan hyvin kuinka aallottaminen lisää paperin käyttömahdollisuuksia”, sanoo Pekka Koskinen.

”Lisäksi optinen taonta on menetelmänä erityisen tehokas, koska sillä voidaan jäykistää grafeenia juuri siellä mistä halutaan”, sanoo professori Mika Pettersson.

”Seuraavaksi vain mielikuvitus on rajanamme. Ryhdymme miettimään, millaisia erilaisia rakenteita ja sovelluksia optisella taonnalla voisikaan valmistaa”, hän jatkaa.

Tutkimus julkaistiin Nature Partner Journals –julkaisusarjassa toukokuussa 2021.

Lisätietoja:

Andreas Johansson, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, andreas.johansson@jyu.fi, puh. +358 50 805 4496

Pekka Koskinen, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, pekka.j.koskinen@jyu.fi, puh. +358 40 805 4089

Mika Pettersson, Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskus, mika.j.pettersson@jyu.fi, puh. +358 50 310

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Kuvat

Yläkuvassa on atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Alakuva kuvaa käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen
Yläkuvassa on atomivoimamikroskoopilla kuvattuna grafeenia ennen ja jälkeen optisen taonnan. Alakuva kuvaa käsitellyn materiaalin jäykistymistä. Kuva: Jyväskylän yliopisto/Vesa-Matti Hiltunen, Pekka Koskinen
Lataa

Tietoja julkaisijasta

Jyväskylän yliopisto
PL 35
40014 Jyväskylä

http://www.jyu.fi

Jyväskylän keskustassa sijaitsevan yliopiston kauniilla puistokampuksella sykkii monitieteinen ja moderni tiedeyliopisto – ihmisläheinen ja dynaaminen yhteisö, jonka 2500 asiantuntijaa ja 15 000 opiskelijaa etsivät ja löytävät vastauksia huomisen kysymyksiin. Jyväskylän yliopisto on ollut tulevaisuuden palveluksessa jo vuodesta 1863, jolloin suomenkielinen opettajankoulutus sai alkunsa täältä. Voimanlähteenämme on moniarvoinen vuoropuhelu tutkimuksen, koulutuksen ja yhteiskunnan välillä. Vaalimme tutkimuksen ja koulutuksen tasapainoa sekä ajattelun avoimuutta – sytytämme taidon, tiedon ja intohimon elää viisaasti ihmiskunnan parhaaksi. www.jyu.fi

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Jyväskylän yliopisto

Hyvä juoksukyky edistää tehokasta aineenvaihduntaa myös ikääntyessä12.6.2021 08:30:00 EEST | Tiedote

Juoksukyky kertoo terveydestä ja ennustaa odotettavissa olevia elinvuosia. Toistaiseksi ei tiedetä, missä määrin perinnöllinen juoksukyky vaikuttaa kehon aineenvaihduntaan ikääntymisen yhteydessä. Jyväskylän ja Shanghain yliopistojen yhteistyönä tehty tutkimus selvitti perimän ja ikääntymisen vaikutuksia eri kudosten aineenvaihduntaan ja havaitsi, että rasvakudoksella voi olla aiempaa suurempi merkitys terveelle vanhenemiselle.

Väitös 18.6.2021: Taitavia tenavia ympäri Suomen: lapset tietävät olevansa hyviä liikkujia, mutta motorisissa taidoissa löytyi alueellisia eroja Suomen sisällä (Niemistö)10.6.2021 07:30:00 EEST | Tiedote

Lasten motoriset taidot paranevat iän myötä. Liikuntaharrastaminen ja ulkona vietetty aika sekä temperamenttipiirteet, kuten lapsen aktiivisuus ja kyky ylläpitää tarkkaavaisuutta, tukevat motoristen taitojen oppimista. Maaseudulla asuvilla lapsilla oli parhaimmat motoriset taidot Suomessa, selviää tuoreesta Jyväskylän yliopiston väitöstutkimuksesta. Yleisesti alle kouluikäiset lapset kokevat olevansa hyviä liikkujia.

Väitös 19.6.2021: ”Pystynkö minä?” – Lasten uskomukset omista kyvyistään merkityksellisiä lukutaidon kehittymiselle (Peura)9.6.2021 10:00:00 EEST | Tiedote

Lasten myönteiset uskomukset omista kyvyistään lukemisessa vahvistavat lukutaidon kehitystä, selviää tuoreesta väitöskirjatutkimuksesta. Myönteiset kokemukset oppimistilanteista auttavat kehittämään uskoa omiin kykyihin, mutta huolestuttavaa on, että osa lapsista kokee saavansa vähemmän kannustavaa palautetta ja vertaiskokemuksia lukemisessa ajan myötä.

Tekoäly tunnistaa nuoret, joiden kestävyyskunto on tulevaisuudessa heikko9.6.2021 07:30:00 EEST | Tiedote

Hyvällä kestävyyskunnolla on yhteys nuorten terveyteen ja fyysiseen aktiivisuuteen. Heikkoa kestävyyskuntoa voidaan kehittää elintapainterventioilla, mutta toimenpiteiden kohdentaminen murrosikäisillä on haastavaa, sillä aiemmin käytetyissä menetelmissä on epätarkkuutta yksilötasolla. Tuore tutkimus osoitti, että nuoria joille elintapainterventioita voidaan suositella, pystytään tunnistamaan tekoälyn avulla kokonaisvaltaisen elämäntilanteen perusteella.

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme