Guinness verdensrekord for opdagelse af det tyndeste glas

Det er kun et par molekyler tykt, og kunne ikke være tyndere:den glasplade, som forskere ved University of Ulm og Cornell University har opdaget ved et uheld. Denne opdagelse er nu blevet anerkendt som en verdensrekord med en post i Guinness World Records 2014. "Selvom glas faktisk er gennemsigtigt, de enkelte silicium- og oxygenatomer kan gøres synlige under elektronmikroskopet", forklarer Ute Kaiser. Professoren i eksperimentel fysik leder elektronmikroskopigruppen af ​​materialevidenskab ved University of Ulm. Hun er stadig fascineret af denne meget specielle opdagelsesrejse, som har taget mere end et år:"Trin for trin har vi, gennem vores eksperimenter og refleksioner, afslørede materialets hemmeligheder, og det her var utroligt spændende. En rigtig videnskabelig thriller."

Simon Kurasch, på det tidspunkt stadig en kandidatstuderende, der studerede til en doktorgrad under Ute Kaiser ved University of Ulm, undersøgte atomstrukturen af ​​en grafenprøve under et transmissionselektronmikroskop med ekstrem høj opløsning. Dette er et monolag, der kun består af kulstofatomer, hvis sekskantede atomstruktur minder om en honningkage, og for hvilken opdagelse Nobelprisen blev tildelt i 2010. Faktisk, dette havde været en rutineundersøgelse for fysikeren. Men ved nærmere undersøgelse opdagede den unge forsker en hidtil uset og helt uventet struktur:"Det er både vidunderligt ordnet og samtidig fuldstændig kaotisk", sådan beskriver Kurasch dette tilfældige fund. Et ekstremt tyndt lag af et ukendt stof var dannet på grafenen. Forespørgsler til Max-Planck-Institut for Solid State Research i Stuttgart, som havde fremstillet grafenet på kobberfilm i en kvartsglasforet ovn efter en standardmetode, foranlediget vantro. Forskerholdet der, organiseret omkring solid state nanofysiker Dr. Jurgen Smet, var i begyndelsen ude af stand til at forstå dette fund.

Ulm-fysikeren henvendte sig til fysikprofessor David Muller, hendes kollega i videnskab gennem mange år og direktør for Kavli Institute for Nanoscale ved Cornell University (NY). Måske kunne hans team i staten New York bidrage med meget høj opløsning billeddannelse og spektroskopiske data om materialets kemiske natur. Muller var enig. Et fire-mands tysk-amerikansk team af forskere blev nedsat, bestående af de to Ulm-forskere sammen med Muller og Pinshane Huang, hans kandidatstuderende, der læser til en doktorgrad; holdet havde forsket i fællesskab på Cornell University i nogen tid. Muller pegede snart resultatet på en silicium-iltforbindelse. Yderligere spor blev hurtigt søgt for at forklare den præcise kemiske sammensætning af det mystiske materiale. Det viste sig, at det ultratynde lag bestod af siliciumdioxid, dvs glas. Med sin specielle atomare struktur, dette amorfe materiale forvirrer stadig det videnskabelige samfund. Som resultat, det var stadig et spørgsmål for den internationale gruppe af fysikere at afklare den molekylære konfiguration af glaspladen.

Ute Kaiser søgte derfor råd hos sine finske kolleger. Dr. Arkady Krasheninnikov fra Aalto-universitetet i Helsinki, en dokumenteret ekspert i at beregne stabiliteten af ​​atombindinger, var i sidste ende i stand til at vise med sine kolleger, at siliciumdioxid antager den mest stabile mulige konfiguration i to lag, altså et 'dobbelt lag'. "Så det viste sig ved alle analytiske og teoretiske resultater tilsammen, at vi havde fundet den tyndest tænkelige glasplade, som altså faktisk var todimensionel", ifølge holdet. Forskere var således for første gang i stand til at få et klart indblik i atomstrukturen af ​​dette specielle materiale.

Glas er et "amorft" materiale, hvilken, selvom de har de fysiske egenskaber som et fast stof, udviser i sin atomare struktur egenskaber af både væsker og faste stoffer. "Hvis elektronmikroskopbilleder undersøges, man kan se et lag af uregelmæssige og disparate polygoner. Det ligner et kludetæppe, der for det meste består af femkanter, sekskanter, sekskanter og ottekanter", forklarer Ulm elektronmikroskopi-eksperten Ute Kaiser. "Ved at bruge vores resultater, vi var overraskende i stand til at bekræfte en terapi formuleret af W.H. Zachariasen tilbage i 1932". Netværkshypotesen formuleret af den norsk-amerikanske fysiker om glassets atomare struktur, i store træk, at glas er i sin grundlæggende atomare struktur - bestående af SiO4-tetraeder - ligner krystal, med den eneste forskel, at disse tetraeder er forbundet med hinanden meget mere tilfældigt end i meget regelmæssigt organiserede krystal, så arrangementet fremstår meget mere uregelmæssigt.

Denne videnskabelige "thriller", hvis resultater blev offentliggjort i Nano bogstaver tilbage i 2012, havde også en dobbelt lykkelig slutning for det internationale hold af forskere. Ikke alene lykkedes det holdet at identificere det tyndeste tænkelige glas, men det løste også et tidligere uløst materialevidenskabeligt puslespil. Til sidst, Spørgsmålet om glassets atomare struktur er ikke kun et af de store spørgsmål i uorganisk videnskab, men også et af fysikkens største analytiske problemer. Posten i Guinness-bogen er således velfortjent.