‘Heet’ grafeen onthult migratie van koolstofatomen

De migratie van koolstofatomen op het oppervlak van het nanomateriaal grafeen is onlangs voor het eerst gemeten. Hoewel de atomen te snel bewegen om direct met een elektronenmicroscoop te kunnen worden waargenomen, kan hun effect op de stabiliteit van het materiaal nu indirect worden bepaald terwijl het materiaal wordt verwarmd op een microscopisch kleine hete plaat. De studie van onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Wenen werd gepubliceerd in het tijdschrift Koolstof.

Koolstof is een element dat essentieel is voor al het bekende leven en komt in de natuur voornamelijk voor als grafiet of diamant. In de afgelopen decennia hebben materiaalwetenschappers veel nieuwe vormen van koolstof gecreëerd, waaronder fullerenen, koolstofnanobuizen en grafeen. Vooral grafeen is onderwerp van intensief onderzoek geweest, niet alleen vanwege zijn overtreffende trap, maar ook omdat het bijzonder geschikt is voor experimenten en modellering. Het was echter niet mogelijk om enkele fundamentele processen te meten, waaronder de beweging van koolstofatomen op het oppervlak. Deze willekeurige migratie is de atomaire oorsprong van het fenomeen diffusie.

Diffusie verwijst naar de natuurlijke beweging van deeltjes zoals atomen of moleculen in gassen, vloeistoffen of vaste stoffen. In de atmosfeer en de oceanen zorgt dit fenomeen voor een gelijkmatige verdeling van zuurstof en zout. In de technische industrie is het van cruciaal belang voor staalproductie, lithium-ionbatterijen en brandstofcellen, om maar een paar voorbeelden te noemen. In de materiaalkunde verklaart diffusie aan het oppervlak van vaste stoffen hoe bepaalde katalytische reacties verlopen en hoe veel kristallijne materialen, waaronder grafeen, worden gekweekt.

Oppervlaktediffusiesnelheden zijn over het algemeen afhankelijk van de temperatuur: hoe warmer, hoe sneller de atomen migreren. Door deze snelheid bij verschillende temperaturen te meten, kunnen we in principe de energiebarrière bepalen die beschrijft hoe gemakkelijk het is voor de atomen om van de ene plaats op het oppervlak naar de andere te hopen. Dit is echter onmogelijk door directe beeldvorming als ze niet lang genoeg blijven zitten, wat het geval is voor koolstofatomen op grafeen. Dus tot nu toe was ons begrip afhankelijk van computersimulaties. De nieuwe studie overwint deze moeilijkheid door indirect hun effect te meten terwijl het materiaal wordt verwarmd op een microscopisch kleine hete plaat in een elektronenmicroscoop.

Door de atomaire structuur van grafeen met elektronen te visualiseren en af ​​en toe atomen eruit te schoppen, konden de onderzoekers bepalen hoe snel koolstofatomen op het oppervlak moeten bewegen om het vullen van de resulterende gaten bij verhoogde temperaturen te verklaren. Door elektronenmicroscopie, computersimulaties en begrip van het samenspel van het beeldvormingsproces met de diffusie te combineren, kon een schatting voor de energiebarrière worden gemeten.

“Na zorgvuldige analyse hebben we de waarde vastgesteld op 0,33 elektronvolt, iets lager dan verwacht”, zegt hoofdauteur Andreas Postl. De studie is ook een voorbeeld van serendipiteit in onderzoek, aangezien het oorspronkelijke doel van het team was om de temperatuurafhankelijkheid van deze stralingsschade te meten. “Eerlijk gezegd was dit niet wat we aanvankelijk wilden bestuderen, maar dergelijke ontdekkingen in de wetenschap gebeuren vaak door voortdurend kleine maar onverwachte details na te streven”, concludeert senior auteur Toma Susi.