Onvolkomenheden in de reguliere atomaire rangschikkingen in kristallen bepalen veel van de eigenschappen van een materiaal, en hun verspreiding zit achter veel microstructurele veranderingen in vaste stoffen. Echter, het afbeelden van niet-repeterende atomaire arrangementen is moeilijk in conventionele materialen. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Wenen hebben de diffusie van een vlindervormig atoomdefect in grafeen direct in beeld gebracht, het recent ontdekte tweedimensionale wondermateriaal, over lange beeldsequenties. De resultaten worden gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie .

Atoomschaaldefecten zijn altijd aanwezig in materialen. Voor conventionele materialen zijn ze verborgen in een groot aantal perfect gerangschikte atomen, behalve aan de oppervlakte. Echter, de situatie is anders in het geval van laagdimensionale materialen zoals grafeen.

Grafeen is een honingraatachtige opstelling van koolstofatomen van slechts één koolstofatoom dik. Sinds de ontdekking in 2004, verschillende opmerkelijke eigenschappen van dit materiaal zijn gemeten. Bijvoorbeeld, het is sterker dan diamant en geleidt elektriciteit beter dan koper, maar is toch transparant en opmerkelijk flexibel. Omdat alle atomen in grafeen zich aan de oppervlakte bevinden, individuele atomen en eventuele defecten in de structuur zijn direct zichtbaar in een hoge resolutie elektronenmicroscoop, maar tegelijkertijd interageren ze gemakkelijk met de omgeving.

Het defect waar de onderzoekers zich in de recente studie in Wenen op concentreerden, is een dubbele vacature die ontstaat wanneer twee atomen in het kristal ontbreken. In de meest stabiele vorm van dit defect transformeren de zeshoeken van het grafeenrooster in een rangschikking van vier vijfhoeken en vier zevenhoeken (vijf- en zevenledige koolstofringen, respectievelijk) die eruitziet als een vlinder op atomaire schaal. Het onderzoek is uitgevoerd met de Nion UltraSTEM 100 microscoop, die pas vorig jaar in Wenen werd geïnstalleerd. De combinatie van ultrahoog vacuüm en lage acceleratiespanning van dit apparaat waren belangrijke componenten voor het succes van het onderzoek. Bij eerdere experimenten is de defecten zijn altijd snel geëvolueerd naar complexere structuren of weer omgezet in kristallijn grafeen, waardoor de continue beeldvorming van hun verspreiding over lange tijdsperioden wordt voorkomen. Nutsvoorzieningen, de defecten bleven gedurende een langere tijd stabiel, wat een statistische analyse van hun beweging mogelijk maakte.

De onderzoekers gebruikten de elektronenstraal van de microscoop om het defect tussen verschillende opstellingen te transformeren, wat resulteerde in een migratie van de structuur van het ene beeld naar het andere. "Het was opmerkelijk om voor het eerst te zien hoe een defect gedurende enkele minuten transformeert en migreert in het kristal terwijl we ernaar kijken", zegt Jani Kotakoski, de hoofdauteur van de studie. Een zorgvuldige analyse van het pad van het defect onthulde dat het defect een willekeurige wandeling door het kristal uitvoerde. "Onze studie opent een nieuwe route voor de directe studie van defectmigratie en diffusie in laagdimensionale materialen, wat ook kan leiden tot nieuwe inzichten in defectdynamiek in vaste stoffen in het algemeen", concludeert hij.