Fysikere observerer spontan mekanisk knækning i fritstående grafen

Et internationalt hold af fysikere, ledet af forskere ved University of Arkansas, har observeret spontan mekanisk knækning i fritstående grafen ved hjælp af scanning tunneling mikroskopi, indikerer, at det har potentiale til at være en ny elektronisk strømkilde.

Opdagelsen fremmer forståelsen af ​​grafen, et todimensionelt materiale, der blot er et enkelt atom i tykkelse, og dets potentielle rolle i udviklingen af ​​næste generations elektroniske enheder.

Forskerholdet offentliggjorde sine resultater tirsdag i Fysiske anmeldelsesbreve , tidsskriftet for American Physical Society. Opdagelsen blev også fremhævet på samfundets nyhedsside om fysik.

Forskerne brugte scanning tunneling mikroskopi, som producerer billeder af individuelle atomer på en overflade, for at demonstrere den spontane mekaniske knækning.

Fundet åbner et nyt forskningsfelt i studiet af dynamisk adfærd af fritstående todimensionelle materialer styret af scanning tunneling mikroskopi, sagde Paul Thibado, professor i fysik ved U of A, der ledede undersøgelsen.

"Fristående grafen er konstant i bevægelse, " sagde Thibado. "Den bevæger sig op og ned som en bøje, der dupper i havet. Vippebevægelsen afbrydes med mellemrum, når materialet vender fra at ligne den indre del af en skål til den ydre del af skålen – den høje hastighed, snap-through bevægelse er kendt som mekanisk buckling."

Forskerne fandt ud af, at knækbevægelsen korrelerer med et fænomen kendt som en "Lévy-flyvning, " opkaldt efter den franske matematiker Paul Lévy. Lévy-flyvning refererer til en tilfældig gangproces, hvor lange udflugter forekommer med højere statistiske sandsynligheder end et normalt system i konstant tilfældig bevægelse. Lévy-flyvninger er almindelige i biologiske systemer og modellerer nøjagtigt dyresøgende mønstre.

Fænomenet er ikke blevet observeret på atomær skala med et uorganisk system før denne undersøgelse, Thibado sagde, gør det muligt at forudsige og kontrollere lange udflugter.

"Knækbegivenheder i 2D-materialer er nøglen til at forstå fænomenet Levy-flyvninger, " han sagde.

Fritstående grafens kontinuerlige bevægelse, forstærket af den høje kinetiske energi af disse tilfældige inversioner, kunne omdannes til elektrisk strøm og bruges i stedet for batterier til at drive små elektroniske enheder, sagde Thibado. Der er et presserende behov for udvikling af andre strømkilder end batterier, især efterhånden som trådløse sensornetværk, der forbinder ikke-computerobjekter til internettet, vokser.

Sådanne trådløse sensornetværk er samlet kendt som tingenes internet, såsom løbesko, der giver præstationsfeedback til en atlet eller et "smart" kunstvandingssystem, der overvåger og rapporterer fugtniveauer på fjerne marker.

Surendra Singh, professor i fysik ved U of A og medforfatter til undersøgelsen, hjalp med at identificere forbindelsen mellem Lévy-flyvninger og systemets statistiske egenskaber. Medforfatter Pradeep Kumar, assisterende professor i fysik ved U of A, givet indsigt i udviklingen af ​​simulering af molekylær dynamik, hvilket beviste, at mekanismen til de lange udflugter var mekanisk knækning.