ナノスケール材料：グラフェンの切り紙

何世紀にもわたって、折り紙師や切り紙師は、何枚かの紙から複雑で美しい三次元構造体を作ってきた。折り紙や切り紙はスケーラブルであり、理工学の分野では、こうした手法をさまざまな二次元出発材料に適用して、巨視的スケールから微視的スケールまで、さまざまなサイズの構造体を作り出している。今回我々は、グラフェンは切り紙に適しており、力学的性質を調整できる微視的スケールの頑丈な構造を構築できることを示す。切り紙で重要な材料パラメーターはフェップル–フォン・カルマン（Föppl–von Kármán）数γである。これは面内剛性と面外曲げ剛性の比を示すもので、大きな数は、伸ばしたり切ったりするよりも曲げたりくしゃくしゃにしたりする方が容易な膜に対応する。γを決定するため、我々はサイズが10～100 μmのグラフェン単層の曲げ剛性を測定し、原子スケールの曲げ剛性の予測値より数千倍大きな値を得た。干渉画像法によって、この結果はグラフェンのリップル（さざ波状の構造）に起因すると説明された。このリップルによって、γが標準的な紙片のものに匹敵する程度まで、グラフェンシートが硬くなる。従って、切り紙から得られた着想をグラフェンシートに適用して、伸縮性電極、バネ、ヒンジなどの機械的なメタマテリアルを構築できる可能性がある。こうした結果から、1原子厚のグラフェンシートから微視的スケールの寸法の弾性可動部品を作る、簡単ではあるが強力でカスタマイズ可能な方法としてグラフェン切り紙が確立された。

目次へ戻る