改变或增强材料的机械性能并不总是需要改变其内部成分。改变特性也可以通过整体结构中相当简单的形状变化来实现。例如，与相同厚度的扁平金属板相比，波纹金属板具有更高的弯曲刚度，这就是为什么波纹板经常用作屋顶材料的原因。波纹结构也用于包装材料，例如纸板箱和塑料容器。
通过波纹机械加固的原理同样适用于纳米材料。石墨烯的杨氏模量为1 TPa，这使其成为世界上最强的材料。它的不渗透性和抗张强度这是钢的200倍，使它适合纳米机械应用。然而，作为一种原子级的薄材料，它也非常脆弱并且符合底层基板的形状。虽然有时石墨烯的低弯曲刚度是一种强度，但有时具有没有基板支撑的刚性结构是有利的。有充分的证据表明，纳米级波纹显著增加了石墨烯的弯曲刚度，使石墨烯成型为稳定的三维形式。这种硬化石墨烯可用于各种纳米机械设备，例如谐振器、纳米级弹簧或超轻支架。
在这项研究中，研究人员通过在惰性气氛下用飞秒脉冲激光照射悬浮石墨烯膜，在称为光学锻造的过程中产生波纹。石墨烯通过化学气相沉积制造并转移到具有不同尺寸开口的氮化硅膜窗口上。石墨烯膜在光学锻造前后用拉曼光谱、原子力显微镜(atomic force microscopy, AFM)和纳米压痕进行表征。该研究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，并使用纳米压痕测量其机械性能。
光学锻造对悬浮石墨烯的影响
图1展示了光学锻造如何修改石墨烯。在锻造之前，薄膜向下弯曲，因为它粘附在开口的侧壁上。膜本身是光滑的，尽管在图1a中有一些褶皱和可见的石墨烯转移步骤中的残留颗粒。锻造后，石墨烯膜的形状完全改变，向上凸出并呈极度波纹状，同时去除残留物。波纹有两个长度刻度。图1b中由小尺度波纹引起的脊和凹槽接近垂直，对应于激光写入的快速扫描方向，而大尺度波纹与之垂直。值得注意的是，即使激光写入图案为正方形，开口外的石墨烯仍保持不变。这与石墨烯在普通氧化硅上的行为不同，其中石墨烯的形状遵循激光写入模式。这大概是因为石墨烯对氮化硅的附着力更高。然而，图1b中的膜已经从开口的边缘分层，这有助于形成波纹状石墨烯结构的最终高度。
为了更好地理解波纹的作用，研究人员通过计算机模拟对压痕实验进行建模。模拟使用了经典的薄片弹性模型，该模型在原子和介观长度尺度上都能很好地捕捉石墨烯的行为。应变参数ks=336 Nm- 设置为等于平坦原始石墨烯膜的典型值。然而，由于光学锻造石墨烯的微观结构未知，弯曲参数kb被视为可调参数。ks和kb是模型固有的参数，代表低于使用的20nm离散化长度尺度的材料属性。通常，它们不同于2D弹性模量ED 和弯曲刚度 D，后者是从力-压痕曲线通过方程得出的量。(1) 取决于膜形态。简而言之，压痕模拟首先定义膜的初始状态，然后在中间施加逐渐增加然后减小的力，同时通过动力学模拟跟踪膜的响应。
硬化石墨烯为新型应用开辟了道路
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片弹性建模，表明在石墨烯晶格中诱导缺陷的水平上，在微米和纳米尺度上都发生了硬化。整体机制很清楚，但要阐明缺陷制造的完整原子细节仍需要进一步研究。
硬化石墨烯为新应用开辟了道路，例如制造微机电支架结构或操纵石墨烯膜谐振器的机械谐振频率高达GHz范围。石墨烯轻、强且不透水，一种潜力是在石墨烯薄片上使用光学锻造制作用于静脉药物运输的微米级笼状结构。
光学锻造方法特别强大，因为它允许直接在您想要的位置精确地写入硬化的石墨烯特征。研究人员的下一步将是发挥我们的想象力，玩转光学锻造，看看可以制造出什么样的石墨烯设备。
