Varmt grafen afslører migration af kulstofatomer

Migrationen af ​​kulstofatomer på overfladen af ​​nanomaterialet grafen blev for nylig målt for første gang. Selvom atomerne bevæger sig for hurtigt til at kunne observeres direkte med et elektronmikroskop, kan deres effekt på materialets stabilitet nu bestemmes indirekte, mens materialet opvarmes på en mikroskopisk varmeplade. Undersøgelsen udført af forskere ved fakultetet for fysik ved universitetet i Wien blev offentliggjort i tidsskriftet Carbon .

Kulstof er et element essentielt for alt kendt liv og findes i naturen primært som grafit eller diamant. I løbet af de sidste årtier har materialeforskere skabt mange nye former for kulstof, der inkluderer fullerener, kulstofnanorør og grafen. Især grafen har været genstand for intensiv forskning, ikke kun på grund af dets superlative egenskaber, men også fordi det er særligt velegnet til eksperimenter og modellering. Det har dog ikke været muligt at måle nogle fundamentale processer, herunder kulstofatomernes bevægelse på overfladen. Denne tilfældige migration er den atomare oprindelse for diffusionsfænomenet.

Diffusion refererer til den naturlige bevægelse af partikler såsom atomer eller molekyler i gasser, væsker eller faste stoffer. I atmosfæren og havene sikrer dette fænomen en jævn fordeling af ilt og salt. I de tekniske industrier er det af central betydning for stålproduktion, lithium-ion-batterier og brændselsceller, for blot at nævne nogle få eksempler. I materialevidenskab forklarer diffusion ved overfladen af ​​faste stoffer, hvordan visse katalytiske reaktioner forløber, og mange krystallinske materialer, herunder grafen, dyrkes.

Overfladediffusionshastigheder afhænger generelt af temperaturen:Jo varmere, jo hurtigere migrerer atomerne. I princippet kan vi ved at måle denne hastighed ved forskellige temperaturer bestemme den energibarriere, der beskriver, hvor let det er for atomerne at håbe fra et sted på overfladen til det næste. Dette er dog umuligt ved direkte billeddannelse, hvis de ikke bliver siddende længe nok, hvilket er tilfældet for kulstofatomer på grafen. Indtil nu har vores forståelse således været baseret på computersimuleringer. Den nye undersøgelse overvinder denne vanskelighed ved indirekte at måle deres effekt, mens materialet opvarmes på en mikroskopisk varmeplade inde i et elektronmikroskop.

Ved at visualisere den atomare struktur af grafen med elektroner, mens de lejlighedsvis sparker atomer ud, kunne forskerne bestemme, hvor hurtigt carbonatomer på overfladen skal bevæge sig for at forklare fyldningen af ​​de resulterende huller ved forhøjede temperaturer. Ved at kombinere elektronmikroskopi, computersimuleringer og en forståelse af billeddannelsesprocessens samspil med diffusionen kunne et estimat for energibarrieren måles.

"Efter omhyggelig analyse fastslog vi værdien til 0,33 elektronvolt, noget lavere end forventet," siger hovedforfatter Andreas Postl. Undersøgelsen er også et eksempel på serendipity i forskning, da holdets oprindelige mål var at måle temperaturafhængigheden af ​​denne strålingsskade. "Helt ærligt, det var ikke det, vi oprindeligt satte os for at studere, men sådanne opdagelser i videnskaben sker ofte ved vedvarende at forfølge små, men uventede detaljer," konkluderer seniorforfatter Toma Susi. + Udforsk yderligere

Sporing af diffusionen af ​​kulstofisotoper ved hjælp af vibrationsspektroskopi i atomskala