Forskere manipulerer individuelle grafendislokationer på atomskalaen

Materialer kan deformeres plastisk langs atomare skala linjedefekter kaldet dislokationer. Mange tekniske applikationer såsom smedning er baseret på denne grundlæggende proces, men forskydningers kraft udnyttes også i bilernes krøllezoner, for eksempel, hvor dislokationer beskytter liv ved at omdanne energi til plastisk deformation. FAU-forskere har nu fundet en måde at manipulere individuelle dislokationer direkte på atomskalaen.

Ved at bruge avanceret in situ elektronmikroskopi, forskerne i prof. Erdmann Spieckers gruppe har åbnet op for nye måder at udforske det grundlæggende i plasticitet. De har offentliggjort deres resultater i Videnskabens fremskridt .

Den tyndeste grænseflade med defekter

I 2013 en tværfaglig gruppe af forskere ved FAU fandt dislokationer i tolagsgrafen - en banebrydende undersøgelse, der blev offentliggjort i Natur . Linjedefekterne var indeholdt mellem to flade, atomisk tynde plader af kulstof - den tyndeste grænseflade, hvor dette er muligt. "Da vi fandt dislokationerne i grafen, vi vidste, at de ikke kun ville være interessante for det, de laver i det specifikke materiale, men også at de kunne tjene som et ideelt modelsystem til at studere plasticitet generelt, " Prof. Spiecker forklarer. Hans hold af to ph.d.-kandidater søgte en måde at interagere med dem på.

Et kraftigt mikroskop er nødvendigt for at se dislokationer. Forskerne fra Erlangen er specialister inden for elektronmikroskopi, og tænker konstant på måder at udvide teknikken på. "I løbet af de sidste tre år, vi har støt udvidet vores mikroskops muligheder til at fungere som et arbejdsbord på nanoskalaen, " siger Peter Schweizer. "Vi kan nu ikke kun se nanostrukturer, men også interagere med dem – f.eks. ved at skubbe dem rundt, tilfører varme eller en elektrisk strøm." Kernen i dette instrument er små robotarme, der kan bevæges med nanometerskalapræcision. Disse arme kan udstyres med meget fine nåle, der kan flyttes op på overfladen af ​​grafen. Særlige input-enheder er nødvendige for højpræcisionskontrol.

Plasticitet ved fingerspidserne

Ved mikroskopet, hvor eksperimenterne blev udført, der er mange videnskabelige instrumenter – og to videospil-controllere. "Elever spørger os ofte, hvad gamepads er til for, " siger Christian Dolle. "Men selvfølgelig, de bruges udelukkende til videnskabelige formål. Du kan ikke styre en lille robotarm med et tastatur, du har brug for noget, der er mere intuitivt. Det tager lidt tid at blive ekspert, men derefter, selv kontrol af atomare skala linjedefekter bliver mulig."

En ting, der overraskede forskerne i begyndelsen, var grafens modstand mod mekanisk belastning. "Når du tænker over det, det er kun to lag kulstofatomer – og vi trykker en meget skarp nål ind i det, " siger Peter Schweizer. For de fleste materialer, det ville være for meget, men grafen er kendt for at modstå ekstreme belastninger. Dette gjorde det muligt for forskerne at røre ved overfladen af ​​materialet med en fin wolframspids og trække linjefejlene rundt. "Da vi prøvede det første gang, vi troede ikke på det ville virke, men så blev vi overrasket over alle de muligheder, der pludselig åbnede sig." Ved at bruge denne teknik, forskerne kunne bekræfte mangeårige teorier om defekt-interaktioner, samt finde nye. "Uden direkte at kontrollere dislokationen, det ville ikke have været muligt at finde alle disse interaktioner, siger Dolle.

"Uden at have state-of-the-art instrumenter og tid til at prøve noget nyt ville dette ikke have været muligt, " siger Spiecker. "Det er vigtigt at vokse med nye udviklinger, og prøv at udvide de teknikker, du har til rådighed."