Горячий графен показывает миграцию атомов углерода
Недавно впервые была измерена миграция атомов углерода на поверхности наноматериала графена. Хотя атомы движутся слишком быстро, чтобы их можно было непосредственно наблюдать с помощью электронного микроскопа, их влияние на стабильность материала теперь можно определить косвенно, пока материал нагревается на микроскопической горячей пластине. Исследование ученых физического факультета Венского университета было опубликовано в журнале Carbon.
Атом углерода (выделен оранжевым цветом), мигрирующий по поверхности графена при повышенной температуре к вакансии, мчится против сканирующего электронного луча (зелено-желтое свечение), приближаясь к тому же положению. Предоставлено: Концепция: Тома Суси / Uni. Вена, Графический дизайн: Ella Maru Studio
Углерод является элементом, необходимым для всей известной жизни, и существует в природе в основном в виде графита или алмаза. За последние десятилетия материаловеды создали множество новых форм углерода, включая фуллерены, углеродные нанотрубки и графен. В частности, графен был предметом интенсивных исследований не только из-за его превосходных свойств, но и потому, что он особенно хорошо подходит для экспериментов и моделирования. Однако не удалось измерить некоторые фундаментальные процессы, в том числе движение атомов углерода на его поверхности. Эта случайная миграция является атомарным источником явления диффузии.
Диффузия относится к естественному движению частиц, таких как атомы или молекулы, в газах, жидкостях или твердых телах. В атмосфере и океанах это явление обеспечивает равномерное распределение кислорода и солей. В технических отраслях это имеет центральное значение для производства стали, литий-ионных аккумуляторов и топливных элементов, и это лишь несколько примеров. В материаловедении диффузия на поверхности твердых тел объясняет, как протекают определенные каталитические реакции и выращиваются многие кристаллические материалы, включая графен.
Скорость поверхностной диффузии обычно зависит от температуры: чем теплее, тем быстрее мигрируют атомы. В принципе, измеряя эту скорость при различных температурах, мы можем определить энергетический барьер , который описывает, насколько легко атомам перемещаться из одного места на поверхности в другое. Однако это невозможно с помощью прямой визуализации, если они не остаются на месте достаточно долго, как в случае с атомами углерода на графене. Таким образом, до сих пор наше понимание основывалось на компьютерном моделировании. Новое исследование преодолевает эту трудность путем косвенного измерения их эффекта при нагревании материала на микроскопической плите внутри электронного микроскопа.
Визуализируя атомную структуру графена с электронами, время от времени выбрасывая атомы, исследователи смогли определить, насколько быстро должны двигаться атомы углерода на поверхности , чтобы объяснить заполнение образовавшихся отверстий при повышенных температурах. Комбинируя электронную микроскопию , компьютерное моделирование и понимание взаимодействия процесса визуализации с диффузией, можно было измерить оценку энергетического барьера.
«После тщательного анализа мы определили значение 0,33 электронвольта, что несколько ниже, чем ожидалось», — заявляет ведущий автор Андреас Постл. Исследование также является примером счастливой случайности в исследованиях, поскольку первоначальной целью группы было измерение температурной зависимости этого радиационного повреждения. «Честно говоря, это было не то, что мы изначально собирались изучать, но такие открытия в науке часто происходят благодаря настойчивому поиску мелких, но неожиданных деталей», — заключает старший автор Тома Суси.
