Migrationen av kolatomer på ytan av nanomaterialet grafen mättes nyligen för första gången. Även om atomerna rör sig för snabbt för att direkt observeras med ett elektronmikroskop, kan deras effekt på materialets stabilitet nu bestämmas indirekt medan materialet värms upp på en mikroskopisk värmeplatta. Studien av forskare vid fakulteten för fysik vid universitetet i Wien publicerades i tidskriften Carbon .

Kol är ett grundämne som är väsentligt för allt känt liv och finns i naturen främst som grafit eller diamant. Under de senaste decennierna har materialforskare skapat många nya former av kol som inkluderar fullerener, kolnanorör och grafen. Särskilt grafen har varit föremål för intensiv forskning, inte bara på grund av dess superlativa egenskaper utan också för att det är särskilt väl lämpat för experiment och modellering. Det har dock inte varit möjligt att mäta vissa grundläggande processer, inklusive rörelsen av kolatomer på dess yta. Denna slumpmässiga migration är det atomära ursprunget till diffusionsfenomenet.

Diffusion hänvisar till den naturliga rörelsen av partiklar som atomer eller molekyler i gaser, vätskor eller fasta ämnen. I atmosfären och haven säkerställer detta fenomen en jämn fördelning av syre och salt. Inom den tekniska industrin är det av central betydelse för stålproduktion, litiumjonbatterier och bränsleceller, för att bara nämna några exempel. Inom materialvetenskap förklarar diffusion vid ytan av fasta ämnen hur vissa katalytiska reaktioner fortskrider och många kristallina material inklusive grafen odlas.

Ytdiffusionshastigheter beror i allmänhet på temperatur:ju varmare, desto snabbare migrerar atomerna. I princip kan vi genom att mäta denna hastighet vid olika temperaturer bestämma energibarriären som beskriver hur lätt det är för atomerna att hoppas från en plats på ytan till nästa. Detta är dock omöjligt genom direkt avbildning om de inte sitter kvar tillräckligt länge, vilket är fallet för kolatomer på grafen. Så fram till nu har vår förståelse förlitat sig på datorsimuleringar. Den nya studien övervinner denna svårighet genom att indirekt mäta deras effekt samtidigt som materialet värms upp på en mikroskopisk värmeplatta inuti ett elektronmikroskop.

Genom att visualisera grafens atomstruktur med elektroner medan de ibland sparkade ut atomer, kunde forskarna bestämma hur snabbt kolatomer på ytan måste röra sig för att förklara fyllningen av de resulterande hålen vid förhöjda temperaturer. Genom att kombinera elektronmikroskopi, datorsimuleringar och en förståelse för samspelet mellan avbildningsprocessen och diffusionen kunde en uppskattning av energibarriären mätas.

"Efter noggrann analys fastställde vi värdet till 0,33 elektronvolt, något lägre än förväntat", konstaterar huvudförfattaren Andreas Postl. Studien är också ett exempel på serendipitet i forskning, eftersom lagets ursprungliga mål var att mäta temperaturberoendet av denna bestrålningsskada. "Ärligt talat var detta inte vad vi från början ville studera, men sådana upptäckter inom vetenskapen sker ofta genom att ihärdigt eftersträva små men oväntade detaljer", avslutar seniorförfattaren Toma Susi. + Utforska vidare

Spåra diffusionen av kolisotoper med hjälp av vibrationsspektroskopi i atomskala