Grafeen groeit – natuurkundigen vinden een manier om het te visualiseren

Grafeen is een van de sterkste materialen. Bovendien is het uitzonderlijk goed in het geleiden van warmte en elektrische stromen, waardoor het een van de meest bijzondere en veelzijdige materialen is die we kennen. Om al deze redenen werd de ontdekking van grafeen in 2010 bekroond met de Nobelprijs voor natuurkunde.

Toch worden veel eigenschappen van het materiaal en zijn neven en nichten nog steeds slecht begrepen – om de eenvoudige reden dat de atomen waaruit ze zijn opgebouwd erg moeilijk waar te nemen zijn. Een team van onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en New York University heeft nu een verrassende manier gevonden om dit probleem op te lossen.

Tweedimensionale materialen, bestaande uit een superdunne enkele laag atomair kristal, hebben de laatste tijd veel aandacht getrokken. Deze welverdiende aandacht is vooral te danken aan hun ongebruikelijke eigenschappen, heel anders dan hun driedimensionale ‘bulk’-tegenhangers. Grafeen, de bekendste vertegenwoordiger, en vele andere tweedimensionale materialen worden tegenwoordig intensief onderzocht in het laboratorium.

Misschien verrassend, cruciaal voor de speciale eigenschappen van deze materialen zijn defecten, locaties waar de kristalstructuur niet perfect is. Daar wordt de geordende ordening van de atoomlaag verstoord en verandert plaatselijk de coördinatie van atomen.

Atomen visualiseren

Ondanks het feit dat is aangetoond dat defecten cruciaal zijn voor de eigenschappen van een materiaal, en dat ze bijna altijd aanwezig zijn of met opzet zijn toegevoegd, is er niet veel bekend over hoe ze ontstaan ​​en hoe ze in de tijd evolueren. De reden hiervoor is simpel: atomen zijn gewoon te klein en bewegen te snel om ze direct te volgen.

In een poging om de defecten in grafeenachtige materialen waarneembaar te maken, vond het team van onderzoekers van het UvA-Institute of Physics en de New York University een manier om micrometergrote modellen van atomair grafeen te bouwen. Hiervoor gebruikten ze zogenaamde ‘fragmentarische deeltjes’. Deze deeltjes – groot genoeg om gemakkelijk zichtbaar te zijn in een microscoop, maar klein genoeg om veel van de eigenschappen van echte atomen te reproduceren – werken samen met dezelfde coördinatie als atomen in grafeen en vormen dezelfde structuur.

De onderzoekers bouwden een modelsysteem en gebruikten het om inzicht te krijgen in defecten, hun vorming en evolutie in de tijd. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Grafeen bouwen

Grafeen is opgebouwd uit koolstofatomen die elk drie buren hebben, gerangschikt in de bekende ‘honingraat’-structuur. Het is deze speciale structuur die grafeen zijn unieke mechanische en elektronische eigenschappen geeft. Om dezelfde structuur in hun model te bereiken, gebruikten de onderzoekers kleine deeltjes gemaakt van polystyreen, versierd met drie nog kleinere stukjes van een materiaal dat bekend staat als 3- (trimethoxysilyl) propyl, of kortweg TPM.

De configuratie van de TPM-patches bootste de coördinatie van koolstofatomen in het grafeenrooster na. Vervolgens maakten de onderzoekers de pleisters aantrekkelijk zodat de deeltjes verbindingen met elkaar konden vormen, wederom naar analogie van de koolstofatomen in grafeen.

Na een paar uur met rust gelaten te zijn, bleken de ‘nep-koolstof’-deeltjes zich bij observatie onder een microscoop inderdaad te rangschikken tot een honingraatrooster. De onderzoekers keken vervolgens in meer detail naar defecten in het model grafeenrooster. Ze merkten op dat het model ook in dit opzicht werkte: het vertoonde karakteristieke defectmotieven die ook bekend zijn van atomair grafeen.

In tegenstelling tot echt grafeen, stelden de directe observatie en de lange vormingstijd van het model de natuurkundigen nu in staat om deze defecten vanaf het allereerste begin van hun vorming tot aan de integratie in het rooster te volgen.

Onverwachte resultaten

De nieuwe kijk op de groei van grafeenachtige materialen leidde meteen tot nieuwe kennis over deze tweedimensionale structuren. Onverwacht ontdekten de onderzoekers dat het meest voorkomende type defect zich al vormt in de allereerste groeifasen, wanneer het rooster nog niet is vastgesteld. Ze observeerden ook hoe de mismatch van het rooster vervolgens wordt ‘gerepareerd’ door een ander defect, wat leidt tot een stabiele defectconfiguratie, die blijft bestaan ​​of slechts heel langzaam verder geneest tot een perfecter rooster.

Het modelsysteem stelt onderzoekers dus niet alleen in staat om het grafeenrooster op grotere schaal na te bouwen voor allerlei toepassingen, maar de directe waarnemingen geven ook inzicht in de atomaire dynamiek in deze materiaalklasse. Omdat defecten centraal staan ​​in de eigenschappen van alle atomaire dunne materialen, helpen deze directe waarnemingen in modelsystemen de atomaire tegenhangers verder te ontwikkelen, bijvoorbeeld voor toepassingen in ultralichte materialen en optische en elektronische apparaten.

De bevindingen worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie.