連続体力学のピンポイント破断としてのグラフェン膜の魅力的な力駆動型超硬化

Attractive force-driven superhardening of graphene membranes as a pin-point breaking of continuum mechanics.

• Makoto Ashino
• Roland Wiesendanger

抄録

ナノメートルスケールでの曲げは、グラフェン膜の機械的、化学的、電子的特性を大幅に変化させることができる。その後の化学結合の応答は、連続体力学におけるプレートの理想化からの逸脱につながる。しかし、このような現象は、これまでのところ、圧縮・伸張によって変形したグラフェンの電子状態をローカルプローブ法で測定することでしか研究されていなかった。本研究では、凸状に湾曲したグラフェンにプローブの先端が与える原子間引力が、連続体力学におけるプレート理想化をピンポイントで破り、化学反応性と機械的強度の原子局所的な向上を促進することを報告する。直径の異なる中空ナノチューブ、ロールアップしたグラフェンを用いて、原子間力顕微鏡と力場分光法を用いて徹底的な特性評価を行った。中空ナノチューブの最上部は、凸状グラフェンの明確な曲率を有していた。その結果、面外ヤング率が13GPaから163GPaへと大幅に向上することを見いだした。本研究で得られた知見は、原子膜の構造と外部原子や分子の動的挙動との関係、そしてそれに続く化学的・機械的特性との相互作用についての基本的な理解を提供するものである。これらの結果は、機能的に制御可能な材料やデバイスへのこのような膜の応用を促進するものである。

Bending at the nanometre scale can substantially modify the mechanical, chemical and electronic properties of graphene membranes. The subsequent response of chemical bonds leads to deviations from plate idealisation in continuum mechanics. However, those phenomena have thus far been investigated exclusively by measuring the electronic properties of graphene deformed by compressing and stretching with local-probe techniques. Here, we report that the interatomic-attractive forces applied on the convexly-curved graphene by the probe tip give rise to a pin-point breaking of the plate idealisation in the continuum mechanics, facilitating atomically-localised enhancements in its chemical reactivity and mechanical strength. Thorough characterisations were conducted by atomic force microscopy and force field spectroscopy on hollow nanotubes, rolled-up graphene, with different diameters. Their topmost parts supplied well-defined curvatures of the convex graphene. We found that a significant enhancement in the out-of-plane Young's modulus from 13 to 163 GPa, "superhardening", was realised with the nonlinear transition of bond configurations. Our findings provide a fundamental understanding of the relationships between the structure of atomistic membranes and the dynamic behaviour of approaching exterior atoms or molecules and their subsequent interplay with chemical and mechanical properties. Thus, these results encourage the application of such membranes in functionally-controllable materials or devices.