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.
Grafén
Illustrasjon: Colourbox
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 marerialets spesielle egenskaper i teknologi.
Kilde: EUs Graphene Flagship
Ved Universitetet i Oslo har forskerne studert kirigami i grafénark. Grafén er et karbon-materiale som består av ett lag atomer ordnet i sekskanter. 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 kom han over en artikkel om bruken av kirigamiinspirerte kutt på nanoskala, altså så små strukturer at man kan se de enkelte atomene materialet er bygget opp av.
Å fjerne atomer gjorde arket sterkere
I denne artikkelen viste datasimuleringer at et grafénark kunne gjøres mer motstandsdyktig mot strekk ved hjelp av kirigamikutt. Altså, ved å fjerne atomer ble arket faktisk sterkere. Artikkelforfatterne forklarte effekten med at når man 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 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 postdoktor Henrik Sveinsson.
Friksjonen varierte uten at forskerne forsto hvorfor
Det viser seg at når man trekker dette materialet bortover en overflate og strekker i det, så vil friksjonskraften endre seg med hvor mye man strekker. Friksjonskraften øker når man strekker litt, så avtar den hvis man strekker enda mer, og så øker den igjen.
Grafén-ark med kirigami-inspirerte kutt strukket over et krystall-underlag, her silisium. Illustrasjon: Mikkel M. Juel
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.
Anders Malthe-Sørenssen. Foto: UiO
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.
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.
– Det gjør det mulig å bygge nanomaskiner med veldig spesiell oppførsel, sier fysikkprofessor Anders Malthe-Sørenssen.
– Eksempelvis kan man se for seg en maskin, en bitte liten dings, som har negativ friksjonskoeffisient. Det betyr at hvis man øker normalkraften som man dytter ned med, så avtar friksjonskraften. Dette er svært annerledes nær alle andre materialer, hvor friksjonskraften øker når man trykker en kloss hardere ned på et underlag, sier han.
Mikkel Metzsch Juel. Foto: Privat
Forskningen ble etter hvert til Mikkel Metzsch Juels masteroppgave og er nå publisert i et av de best ansette vitenskapelige tidsskriftene – PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences.
– Det var utrolig spennende å være med på å oppdage noe uventet, sier Juel, som nå er ph.d.-student 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.
Den vitenskapelige artikkelen:
Mikkel Metzsch Juel, Anders Malthe-Sørenssen og Henrik Sveinsson: Strong strain dependence of friction in graphene kirigami allows engineering a negative coefficient of friction PNAS, august 2025