Графенът е ненадминат по отношение на здравината си сред всички известни материали. В допълнение към несравнимата му здравина, превъзходната му проводимост на топлина и електричество го прави невероятно гъвкав и уникален материал. Безпрецедентните свойства на графена са толкова забележителни, че откриването му е удостоено с Нобелова награда за физика през 2010 г.
Въпреки това разбирането за този материал и свързаните с него вещества остава до голяма степен непълно, най-вече поради огромните затруднения при наблюдението на изграждащите ги атоми. За да се преодолее това препятствие, съвместните изследователски усилия на Университета в Амстердам и Нюйоркския университет откриват неочаквано решение.
Материалите, които съществуват в две измерения, съставени от ултратънък, единичен слой от атомни кристали, напоследък се радват на значителен интерес. Този засилен интерес се дължи до голяма степен на техните нетипични характеристики, които значително се различават от триизмерните им "обемни" аналози.
Графенът, най-известният представител, както и много други двуизмерни материали, днес се изследват активно в лабораториите. Може би е изненадващо, че решаващо значение за специалните свойства на тези материали имат дефектите - места, където кристалната структура не е съвършена. Там подреденото подреждане на слоя от атоми е нарушено и координацията на атомите се променя локално.
Визуализиране на атомите
Въпреки факта, че е доказано, че дефектите са от решаващо значение за свойствата на даден материал и че те почти винаги присъстват или са добавени умишлено, не се знае много за това как се образуват и как се развиват във времето. Причината за това е проста: атомите са твърде малки и се движат твърде бързо, за да може да се проследяват директно.
В стремежа си да направи дефектите в графеноподобните материали наблюдаеми, екипът от изследователи от Института по физика на Университета в Ню Йорк (UvA-Institute of Physics) и Нюйоркския университет (New York University) открива начин да изгради модели на атомен графен с микрометрични размери. За тази цел те използват така наречените "пачуърк частици".
Части от графенова решетка, направена от фрагментирани частици. Тъй като частиците могат да бъдат проследявани една по една, дефектите могат да бъдат изследвани в мащаба на частиците. Кредит: Swinkels et al.
Тези частици - достатъчно големи, за да се виждат лесно в микроскоп, но достатъчно малки, за да възпроизвеждат много от свойствата на истинските атоми - взаимодействат със същата координация като атомите в графена и образуват същата структура. Изследователите създават моделна система и я използват, за да получат представа за дефектите, тяхното образуване и еволюция във времето.
Резултатите им са публикувани наскоро в Nature Communications.
Изграждане на графен
Графенът се състои от въглеродни атоми, всеки от които има по три съседа, подредени в добре познатата структура "пчелна пита". Именно тази специална структура придава на графена неговите уникални механични и електронни свойства. За да постигнат същата структура в своя модел, изследователите използват миниатюрни частици, изработени от полистирен, украсени с три още по-дребни петна от материал, известен като 3-(триметоксисилил)пропил - или накратко TPM.
Конфигурацията на кръпките TPM имитира координацията на въглеродните атоми в графеновата решетка. След това изследователите правят кръпките да се привличат взаимно така, че частиците да могат да образуват връзки помежду си, отново по аналогия с въглеродните атоми в графена.
След като са оставени на спокойствие за няколко часа, при наблюдение под микроскоп се оказва, че частиците " имитиращи въглерод" наистина се подреждат в решетка тип "пчелна пита". След това изследователите разглеждат по-подробно дефектите в моделната графенова решетка. Те забелязват, че и в това отношение моделът работи: той показва характерни мотиви на дефекти, които са известни и от атомния графен. За разлика от истинския графен, прякото наблюдение и дългото време на формиране на модела сега позволи на физиците да проследят тези дефекти от самото начало на формирането им до интегрирането им в решетката.
Неочаквани резултати
Новият поглед върху растежа на графеноподобните материали веднага доведе до нови знания за тези двуизмерни структури. Неочаквано изследователите установяват, че най-разпространеният тип дефекти се формира още в началните етапи на растежа, когато решетката все още не е създадена. Те също така наблюдават как разминаванията в решетката след това се "поправят" от друг дефект, което води до стабилна конфигурация на дефекта, която или остава, или много бавно се заздравява до по-съвършена решетка.
По този начин моделната система не само позволява да се възстанови графеновата решетка в по-голям мащаб за всякакви приложения, но преките наблюдения позволяват и да се вникне в атомната динамика в този клас материали. Тъй като дефектите са от основно значение за свойствата на всички тънки един атом материали, тези преки наблюдения в моделни системи помагат за по-нататъшното разработване на атомните аналози, например за приложения в свръхлеки материали и оптични и електронни устройства.
Справка: “Visualizing defect dynamics by assembling the colloidal graphene lattice” by Piet J. M. Swinkels, Zhe Gong, Stefano Sacanna, Eva G. Noya and Peter Schall, 18 March 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-37222-4
Източник: Unexpected Findings – Graphene Grows, and We Can See It
University Of Amsterdam
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари