Membranen van één atoom dik
Voor een onderzoeker die gespecialiseerd is in de niet-lineaire dynamica en mechanische eigenschappen van dunne structuren zijn tweedimensionale materialen op de nanoschaal een droom die uitkomt. Alijani: ‘Ik was erg enthousiast om met deze extreem kleine en dunne structuren aan de slag te gaan. Omdat ze niet meer dan één atoom dik zijn, brengt de kleinste trilling in zo’n laag, zelfs een kleine thermische rimpeling die van nature voorkomt, de mechanische respons van het systeem in het niet-lineaire regime. Je zou kunnen zeggen dat deze materialen intrinsiek niet-lineair zijn. Als we deze dunne membranen willen gebruiken voor praktische toepassingen, zullen we eerst hun gedrag tot in detail moeten begrijpen. Tegelijkertijd zijn de systemen fascinerende onderwerpen voor nieuwsgierigheid-gedreven fundamenteel onderzoek.’

Spannende toepassingen
Grafeen is een opvallend voorbeeld van een tweedimensionaal materiaal dat de onderzoeksgemeenschap als een wervelwind heeft veroverd en dat in de toekomst wel eens tot bijzondere toepassingen zou kunnen leiden. Het is een enkele laag koolfstofatomen geordend in een zeshoekig rooster. Als tweedimensionaal materiaal heeft grafeen al bewezen bijzondere eigenschappen te vertonen: het heeft een uitzonderlijk grote thermische en elektrische geleidbaarheid, het is het sterkste materiaal ooit getest en daarnaast ook lichtgewicht en flexibel. Als gevolg hiervan worden constant nieuwe grafeentoepassingen bedacht, waaronder zonnecellen, licht-emitterende diodes, filtratiemediums, ontziltingsfilters, energie-opslagsystemen en zelfs biomedische toepassingen zoals biosensoren.

Elasticiteitsmodulus

De inspiratie voor het cohesieproject komt van Alijani’s recente succes in het bepalen van de elasticiteitsmodulus van tweedimensionale materialen met behulp van laser-interferometrie. ‘Deze methode bestaat eruit dat we het systeem in een hoge-frequentie resonantie brengen en de beweging van het membraan bestuderen met een interferometrietechniek. Met behulp van de uitkomsten kunnen we de elasticiteitsmodulus bepalen, wat een maat is voor de stijfheid van een vast materiaal en een van de belangrijkste parameters die bekend moet zijn om een materiaal voor allerlei toepassingen te kunnen gebruiken. ‘Deze parameter is extra belangrijk aangezien er nog veel discussie is over de precieze fysica achter de elasticiteit van tweedimensionale materialen.’ Normaliter wordt de modulus bepaald door gebruik te maken van een atomaire-krachtmicroscoop. In het geval van grafeen zou deze microscoop het membraan echter beïnvloeden of zelfs beschadigen. ‘Onze aanpak is volledig non-destructief en daarom veel betrouwbaarder. Het is ook een stuk sneller.’ De resultaten trokken veel aandacht en werden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Nature Communications.  

Dynamica op het moleculaire schaalniveau
Met deze doorbraak als startpunt voor het cohesieproject wilde Alijani het model van het membraan graag nog verder verbeteren. ‘Als een materiaal dunner en dunner wordt, tot aan de kleinst denkbare dikte van één atoom, wordt het steeds moeilijker om het nog als een ‘continuüm’ te zien. Realistischer zou zijn om het te beschouwen als een netwerk van onderling verbonden atomen. Continuümmodellen zijn onvoldoende om de moleculaire dynamica van zo’n dun systeem te simuleren.’ Precies hier wil Alijani het verschil maken. ‘Het grote aantal atomen maakt een uitgebreide numeriek onderzoek naar de dynamiek zeer kostbaar en een haast onmogelijke taak. Daarom moeten we het vraagstuk op een slimme manier reduceren.’  

Perfecte combinatie
De bijdrage van Wahls is hierbij onmisbaar. ‘Moleculaire-dynamicasoftware kan het gedrag van grafeen nauwkeurig reproduceren maar is erg traag. We gebruiken het om het gedrag van een grafeenlaag voor een beperkte tijdsspanne te reproduceren, wat vervolgens de basis vormt voor eenvoudigere modellen die gebruikt worden voor het verdere onderzoek. Onze analyse is datagestuurd, wat wil zeggen dat de moleculaire-dynamicasoftware wordt gezien als een ‘black box’. We moeten met name voorzichtig zijn bij het verwerken van de data: nadat het grafeen in trilling is gebracht, neemt het aantal trillingsmodes snel toe, hetgeen de analyse bemoeilijkt. ‘Wahls is expert op het gebied van zowel signaalverwerking als niet-lineaire dynamica; de perfecte combinatie voor het cohesieproject.’ De onderzoekers riepen daarbij de hulp in van postdoc Dr. Banafsheh Sajadi, die al eerder met Alijani samenwerkte. ‘Zij kon bij aanvang van het project meteen een vliegende start maken.’ 

Experimentele data
Hoewel formeel geen onderdeel van het cohesieproject, zorgt de bijdrage van de collega’s aan de overkant, bij de Faculteit Technische Natuurwetenschappen, voor een belangrijke extra dimensie in het project. ‘Zij werken met grafeenlagen en hielpen ons om de experimentele data te verzamelen. Dit is de eerste keer dat theorie, modellering en experimenten gecombineerd zijn om naar het niet-lineaire gedrag te kijken van membranen van een atoom dik.’

Energiewinning en sensoren
Alijani’s onderzoeksgebied is sterk in beweging. Natuurkundigen van de Universiteit van Arkansas (VS) ontdekten recent dat, onder de juiste omstandigheden, temperatuursveranderingen veroorzaakt door omgevingswarmte grafeen laten rimpelen en buigen. Alijani: ‘Ze stelden voor om dit fenomeen te gebruiken om energie te winnen door de warmte om ons heen om te zetten in elektriciteit. Als dat lukt dan zou dat een doorbraak zijn! Een andere interessante toepassing van het niet-lineaire gedrag van grafeen zou kunnen zitten in zeer gevoelige kracht- en massasensoren.’ Door het cohesieproject bevinden Alijani en Wahls zich in een goede positie om een leidende rol te spelen in het oplossen van de mysteries en het onthullen van het potentieel van trillingen in grafeen en andere tweedimensionale membranen.