Flak av grafénpapir kan folde seg til en boks (øverst t.v), bevege seg i kurver (øverst t.h), gripe om tunge gjenstander (nederst t.v) og gå som en målelarve, alt styrt av heten fra infrarødt lys. Teknologien kan brukes i kunstige muskler og mikroskopiske roboter, mener de kinesiske forskerne bak studien i tidsskriftet Science Advances. (Foto: Fra video av Donghua University.)
Bøyelig grafénpapir kan krabbe, snu seg og gripe
Grafénoksid kan bli viktig materiale i framtidas roboter og kunstige lemmer.
Kinesiske forskere har klart å bøye ark av grafénholdig materiale med lys og varme. Arkene krabbet av gårde som målerlarver, og kunne til og med svinge i en annen retning.
Et ark formet som en hånd krummet seg rundt en gjenstand og holdt tak i den, selv om gjenstanden veide fem ganger så mye som hånden.
Teknologien kan brukes til sansing, kunstige muskler og ørsmå roboter, foreslår forskerne i studien, som publiseres i tidsskriftet Science Advances.
Video fra Donghua University (satt sammen av forskning.no) som viser hvordan grafénark bøyer seg når det utsettes for lys og varme.
– Dette er banebrytende, i den forstand at de kan programmere grafénarket. Grafénark har blitt forsket på for sine mulige mekaniske fordeler, skriver Zhiliang Zhang i en e-post til forskning.no.
Zhang er professor ved Institutt for konstruksjonsteknikk ved NTNU, og har ikke deltatt i studien.
Smarte materialer
Slike materialer som bøyer seg under fjernpåvirkning av lys, varme eller elektrisk strøm kalles smarte materialer.
Når påvirkningen forsvinner, går de tilbake til sin gamle form. Derfor kalles slike materialer også for hukommelsesmaterialer.
Fram til nå har smarte materialer ofte vært laget av polymerer. Det er plaststoffer som består av store molekyler der mindre, like molekyler er hektet sammen i kjeder.
Ark av grafittoksid
Nå har altså de kinesiske forskerne klart å bruke grafénark til det samme. Dette er papirlignende ark med noen av egenskapene til superstoffet grafén – blant annet styrken.
Grafénarkene er likevel ikke rent grafén. De er laget av små grafittflak. Grafitt er en form for kull eller karbon. Grafitt finnes i spissen på en blyant.
Grafitt består riktignok av riktignok grafén, men bare i ørsmå flak. Hvert av disse grafénflakene er karbonatomer i hønsenettingmønster.
Grafénark kalles også noen ganger for grafittoksid. Her er nemlig grafitten sammen med oksygen og hydrogen.
Grafénark er heller ingen ny oppfinnelse. Allerede i 1859 laget den britiske kjemikeren Benjamin Brodie papirlignende flak av grafitt som ble behandlet kjemisk.
Det nye er at de kinesiske forskerne har klart å utnytte en egenskap ved grafénpapir – det sveller i vann.
To lag av forskjellige typer grafénoksid ble lagt oppå hverandre. Lagene ble utsatt for fuktigheten i lufta. Det ene laget svellet mer i denne fuktigheten enn det andre. Det ga spenninger i arkene, slik at de strakk seg.
Så ble lyset satt på. Lyset kom fra en laser med infrarøde stråler. Grafénarket ble varmet opp av strålene. Vannet fordampet. Dermed krøllet det seg tilbake til sin opprinnelige form.
Flere fordeler
Forskerne hevder at det er flere fordeler ved å bruke grafénark framfor polymerer. De er kort og godt mer praktiske i bruk, ifølge forskerne bak studien.
For det første bøyer de seg raskere og mer kontrollerbart. For det andre kan grafénark brukes ved romtemperatur under vanlige forhold. For det tredje er det et sterkt materiale. For det fjerde tåler arket mange hundre bøyinger.
Flere retninger
Og for det femte – bøyingen kan styres i flere retninger. Dette siste blir tydelig i forsøket med grafénarket som beveger seg som en målelarve og gjør en sving på underlaget. Bøyingen i vertikal retning og sideretning kan styres uavhengig av hverandre.
Sterkere enn muskler
Denne bøyningen har en kraft som er rundt hundre ganger sterkere enn hvor kraftig muskelen i et pattedyr kan spennes.
Dette er sammenlignbart med materialspenningen i den konkurrerende og eldre teknologien basert på polymerer, ifølge studien.
Referanse:
Jiuke Mu mfl.: Origami-inspired active graphene-based paper for programmable instant self-folding walking devices, Science Advances 6. november 2015, sammendrag.
