O grafeno é um material ultrafino caracterizado por seu módulo de curvatura ultra pequeno, supérfluo. Agora, os pesquisadores do Centro de Nanociência da Universidade de Jyväskylä demonstraram como uma técnica experimental chamada forjamento óptico pode tornar o grafeno ultrastiff, aumentar sua rigidez em várias ordens de magnitude. A pesquisa foi publicada em Materiais e aplicações npj 2D em maio de 2021.

O grafeno é um material de carbono atomicamente fino carregado com excelentes propriedades, como grande mobilidade de portadora de carga, excelente condutividade térmica, e alta transparência óptica. Sua impermeabilidade e resistência à tração, que é 200 vezes maior do que o aço, o tornam adequado para aplicações nanomecânicas. Infelizmente, sua excepcional fragilidade torna qualquer estrutura tridimensional notoriamente instável e difícil de fabricar.

Essas dificuldades agora podem ter acabado, como um grupo de pesquisa no Centro de Nanociência da Universidade de Jyväskylä demonstrou como fazer ultrastiff de grafeno usando um tratamento a laser desenvolvido especificamente. Este enrijecimento abre novas áreas de aplicação para este material maravilhoso.

O mesmo grupo preparou previamente estruturas tridimensionais de grafeno usando um método de padronização de laser de femtossegundo pulsado denominado forjamento óptico. A irradiação do laser causa defeitos na rede de grafeno, que por sua vez expande a rede, causando estruturas tridimensionais estáveis. Aqui, o grupo usou o forjamento óptico para modificar uma membrana de grafeno monocamada suspensa como uma pele de tambor e mediu suas propriedades mecânicas usando nanoindentação.

As medições revelaram que a rigidez à flexão do grafeno aumentou até cinco ordens de magnitude em comparação com o grafeno puro, que é um novo recorde mundial.

"Inicialmente, nem mesmo compreendemos nossos resultados. Demorou para digerir o que o forjamento óptico realmente fez para o grafeno. Contudo, gradualmente, toda a gravidade das implicações começou a surgir em nós, "diz o Dr. Andreas Johansson, que liderou o trabalho de caracterização das propriedades do grafeno opticamente forjado.

Grafeno endurecido abre caminhos para novas aplicações

A análise revelou que o aumento na rigidez à flexão foi induzido durante o forjamento óptico por ondulações de engenharia de deformação na camada de grafeno. Como parte do estudo, modelagem de elasticidade de folha fina das membranas de grafeno ondulado foi realizada, mostrando que o enrijecimento acontece nas escalas micro e nano, ao nível dos defeitos induzidos na rede de grafeno.

"O mecanismo geral é claro, mas desvendar todos os detalhes atomísticos da fabricação de defeitos ainda precisa de mais pesquisas, "diz o professor Pekka Koskinen, quem realizou a modelagem.

Grafeno endurecido abre caminhos para novas aplicações, como a fabricação de estruturas de andaime microeletromecânicas ou a manipulação da frequência de ressonância mecânica de ressonadores de membrana de grafeno até o regime de GHz. Com o grafeno sendo leve, forte e impermeável, um potencial é usar forjamento óptico em flocos de grafeno para fazer estruturas de gaiola em escala micrométrica para o transporte intravenoso de drogas.

"O método de forjamento óptico é particularmente poderoso porque permite a escrita direta de recursos de grafeno endurecido precisamente nos locais onde você os deseja, "diz o professor Mika Pettersson, quem supervisiona o desenvolvimento da nova técnica. "Nosso próximo passo será expandir nossa imaginação, brincar com o forjamento óptico, e ver quais dispositivos de grafeno podemos fazer. "