通过光学锻造将超薄石墨烯转变为超硬

石墨烯是一种超薄材料，其特征在于其超小的弯曲模量，超柔软性。现在，于韦斯屈莱大学纳米科学中心的研究人员已经证明了一种称为光学锻造的实验技术如何能够使石墨烯超硬，并将其刚度提高几个数量级。该研究于2021年5月发表在《npj 2D材料与应用》上。

石墨烯是一种原子稀薄的碳材料，具有出色的性能，例如大的载流子迁移率，出色的导热性和高的光学透明性。它的抗渗性和抗拉强度是钢的200倍，使其适用于纳米机械应用。不幸的是，其异常的脆弱性使得任何三维结构都非常不稳定且难以制造。

于韦斯屈莱大学纳米科学中心的一个研究小组展示了如何使用专门开发的激光处理技术来制造石墨烯超硬材料，这些困难现在可能已经过去。这种硬化为这种神奇材料开辟了全新的应用领域。

同一小组之前使用脉冲飞秒激光图案化方法(称为光学锻造)制备了三维石墨烯结构。激光照射会导致石墨烯晶格中的缺陷，从而使晶格膨胀，从而产生稳定的三维结构。在这里，该小组使用光学锻造来修饰像鼓皮一样悬浮的单层石墨烯膜，并使用纳米压痕技术测量其机械性能。

测量结果表明，与原始石墨烯相比，石墨烯的弯曲刚度提高了五个数量级，这是一个新的世界纪录。

“起初，我们甚至没有理解我们的结果。它花费了一些时间来消化光学锻造实际上对石墨烯所做的工作。但是，逐渐地，影响的全部重力开始在我们身上显现，” Andreas Johansson博士说。表征光学锻造石墨烯性能的工作。

硬化石墨烯为新应用开辟了道路

分析表明，在光学锻造过程中，石墨烯层中的应变工程波纹会引起弯曲刚度的增加。作为研究的一部分，对波纹状石墨烯膜进行了薄板弹性建模，结果表明，在石墨烯晶格中诱发缺陷的水平上，硬化发生在微米和纳米尺度上。

执行建模的Pekka Koskinen教授说：“整体机制很清楚，但要弄清缺陷产生的全部原子细节仍需进一步研究。”

硬化的石墨烯为新的应用开辟了途径，例如微机电支架结构的制造或石墨烯膜共振器的机械共振频率高达GHz的水平。石墨烯是轻，强且不可渗透的，一种潜力是在石墨烯薄片上进行光学锻造。制造用于静脉药物运输的微米级笼状结构。

负责新技术开发的Mika Pettersson教授说：“光学锻造方法特别强大，因为它可以将硬化的石墨烯特征精确地直接写在您想要的位置。” “我们的下一步将是扩大我们的想象力，尝试光学锻造，并看看我们可以制造什么石墨烯器件。”

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