I papirkunsten origami brettes papir til figurer, uten bruk av lim eller saks. Hvis du i tillegg begynner å klippe i papiret kalles det kirigami.
Den japanske kunstarten inspirerer også forskere til å lage materialer med fantasifulle former og spesielle egenskaper.
Ved Universitetet i Oslo har forskerne studert kirigami i grafénark. Grafén er et karbon-materiale som består av ett lag atomer ordnet i sekskanter.
Materiale som er 200 ganger sterkere enn stål
Materialet er spesielt på flere måter – blant annet er det 200 ganger sterkere enn stål.
Da Mikkel Metzsch Juel skulle velge tema for masteroppgaven sin i computational physics ved Universitetet i Oslo, kom han over en artikkel om bruken av kirigamiinspirerte kutt på nanoskala.
Dette er så små strukturer at forskerne kan se de enkelte atomene materialet er bygget opp av.
I denne artikkelen viste datasimuleringer at et grafénark kunne gjøres mer motstandsdyktig mot strekk ved hjelp av kirigamikutt.
Å fjerne atomer gjorde arket sterkere
Altså, ved å fjerne atomer ble arket faktisk sterkere. Artikkelforfatterne forklarte effekten med at når de strakk kirigami-arket, bøyde det seg ut av planet – fra å være et flatt ark til å vri og bøye seg i 3D.
– Jeg tenkte med en gang på friksjon, forteller student Juel.
Det er nemlig en kjent hypotese at friksjon mellom to overflater avhenger av antallet atomer som faktisk er i kontakt med hverandre.
– Vi trodde kirigamikuttene ville gi lavere friksjon, siden det blir mindre areal som berører hverandre, men resultatene var omvendt av det vi trodde, sier forsker Henrik Sveinsson.
Grafén-ark med kirigami-inspirerte kutt strukket over et krystall-underlag, her silisium.(Illustrasjon: Mikkel M. Juel)
Friksjonen varierte uten at forskerne forsto hvorfor
– Dette gjør det mulig å bygge nanomaskiner med veldig spesiell oppførsel, sier fysikkprofessor Anders Malthe-Sørenssen.(Foto: UiO)
Det viser seg at når forskerne trekker dette materialet bortover en overflate og strekker i det, så vil friksjonskraften endre seg med hvor mye de strekker. Friksjonskraften øker når de strekker litt, så avtar den hvis de strekker enda mer, og så øker den igjen.
Sveinsson forteller at de til å begynne med ikke forsto hvorfor.
– Etterhvert fant vi ut at det som avgjør friksjonen, er hvor godt grafénarkene passer med underlaget, sier han.
For å forstå mekanismen kan du tenke deg et kjede av perler tredd inn på en strikk. Hvis du legger kjedet på et ujevnt underlag, vil kanskje bare noen av perlene ramle ned i hull. Men ved å strekke strikken litt kan flere perler finne et hull som passer.
Annonse
Kan brukes i nanoteknologi
Resultatet er ikke bare et interessant funn i seg selv. Forskerne ser også for seg at metoden kan brukes til å lage materialer med helt spesielle og justerbare friksjonsegenskaper.
Mikkel Metzsch Juel håper arbeidet kan inspirere nye studenter.(Foto: Privat)
– Det gjør det mulig å bygge nanomaskiner med veldig spesiell oppførsel, sier fysikkprofessor Anders Malthe-Sørenssen.
Eksempelvis kan vi se for oss en maskin, en bitte liten dings, som har negativ friksjonskoeffisient. Det betyr at hvis vi øker normalkraften som vi dytter ned med, så avtar friksjonskraften, forklarer professoren.
– Dette er svært annerledes nær alle andre materialer, hvor friksjonskraften øker når vi trykker en kloss hardere ned på et underlag, sier han.
– Utrolig spennende å være med på å oppdage noe uventet
Forskningen ble etter hvert til Mikkel Metzsch Juels masteroppgave, og er nå publisert som vitenskapelig artikkel i det velansette tidsskriftet PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences.
– Det var utrolig spennende å være med på å oppdage noe uventet, sier Juel, som nå studerer til doktorgraden ved ETH i Zürich.
Han forteller at han fikk oppleve å være med helt i fronten av vitenskapelig utvikling, og fikk erfare at kunnskapen fra studiene faktisk har nytteverdi i den virkelige verden.
– Og det hele sprang til og med ut fra et tema jeg mer eller mindre tilfeldig valgte en ettermiddag, basert på en umiddelbar idé som til slutt viste seg ikke å holde, sier han.
Grafén er ett atomlag tykt og består av karbonatomer bundet sammen i sekskanter.
Materialet ble første gang laget i 2004, av Geim og Novoselov, som fikk nobelprisen i fysikk i 2010. De to isolerte grafén fra grafitt, materialet i blyanter, ved å bruke tape.
Grafén er sterkt, fleksibelt og lett, og det gjøres mye forskning og innovasjon for å utnytte materialets spesielle egenskaper i teknologi.
