Material kan deformeras plastiskt längs linjedefekter i atomskala som kallas dislokationer. Många tekniska tillämpningar som smide är baserade på denna grundläggande process, men kraften i dislokationer utnyttjas också i bilarnas skrynkliga zoner, till exempel, där dislokationer skyddar liv genom att omvandla energi till plastisk deformation. FAU-forskare har nu hittat ett sätt att manipulera individuella dislokationer direkt på atomär skala.

Med hjälp av avancerad in situ elektronmikroskopi, forskarna i Prof. Erdmann Spieckers grupp har öppnat nya sätt att utforska grunderna för plasticitet. De har publicerat sina resultat i Vetenskapens framsteg .

Det tunnaste gränssnittet med defekter

Under 2013, en tvärvetenskaplig grupp forskare vid FAU hittade dislokationer i tvåskiktsgrafen – en banbrytande studie som publicerades i Natur . Linjedefekterna var inneslutna mellan två platta, atomärt tunna ark av kol – det tunnaste gränssnittet där detta är möjligt. "När vi hittade dislokationerna i grafen, vi visste att de inte bara skulle vara intressanta för vad de gör i det specifika materialet, men också att de skulle kunna fungera som ett idealiskt modellsystem för att studera plasticitet i allmänhet, " Prof. Spiecker förklarar. Hans team av två doktorander sökte ett sätt att interagera med dem.

Ett kraftfullt mikroskop behövs för att se dislokationer. Forskarna från Erlangen är specialister inom området elektronmikroskopi, och funderar ständigt på sätt att utöka tekniken. "Under de senaste tre åren, vi har stadigt utökat kapaciteten hos vårt mikroskop för att fungera som en arbetsbänk på nanoskala, " säger Peter Schweizer. "Vi kan nu inte bara se nanostrukturer, men också interagera med dem – t.ex. genom att trycka runt dem, som applicerar värme eller en elektrisk ström." Kärnan i detta instrument är små robotarmar som kan flyttas med precision i nanometerskala. Dessa armar kan utrustas med mycket fina nålar som kan flyttas upp på grafenytan. Specialinmatningsanordningar behövs för högprecisionskontroll.

Plasticitet till hands

Vid mikroskopet där experimenten utfördes, det finns många vetenskapliga instrument – ​​och två spelkontroller. "Elever frågar oss ofta vad gamepads är till för, säger Christian Dolle. Men visst, de används enbart för vetenskapliga ändamål. Du kan inte styra en liten robotarm med ett tangentbord, du behöver något som är mer intuitivt. Det tar lite tid att bli expert, men då, till och med kontroll av atomskaliga linjedefekter blir möjligt."

En sak som förvånade forskarna i början var grafens motståndskraft mot mekanisk påfrestning. "När du tänker på det, det är bara två lager av kolatomer – och vi trycker in en mycket vass nål i det, " säger Peter Schweizer. För de flesta material, det vore för mycket, men grafen är känt för att tåla extrema påfrestningar. Detta gjorde det möjligt för forskarna att röra vid ytan av materialet med en fin volframspets och dra runt linjens defekter. "När vi först provade det, vi trodde inte att det skulle fungera, men sedan blev vi förvånade över alla möjligheter som plötsligt öppnade sig." Med den här tekniken, forskarna kunde bekräfta långvariga teorier om defektinteraktioner, samt hitta nya. "Utan att direkt kontrollera dislokationen, det skulle inte ha varit möjligt att hitta alla dessa interaktioner, säger Dolle.

"Utan att ha toppmoderna instrument och tid att prova något nytt hade detta inte varit möjligt, " säger Spiecker. "Det är viktigt att växa med nya utvecklingar, och försök att bredda de tekniker du har tillgängliga."