Een internationaal team van natuurkundigen, geleid door onderzoekers van de Universiteit van Arkansas, heeft spontane mechanische knik waargenomen in vrijstaand grafeen met behulp van scanning tunneling microscopie, wat aangeeft dat het potentieel een nieuwe elektronische stroombron kan zijn.

De ontdekking bevordert het begrip van grafeen, een tweedimensionaal materiaal dat slechts een enkel atoom dik is, en zijn potentiële rol in de ontwikkeling van elektronische apparaten van de volgende generatie.

Het onderzoeksteam publiceerde zijn bevindingen dinsdag in Fysieke beoordelingsbrieven , het tijdschrift van de American Physical Society. De ontdekking werd ook benadrukt op de Physics-nieuwssite van de Society.

De onderzoekers gebruikten scanning tunneling microscopie, die beelden produceert van individuele atomen op een oppervlak, om de spontane mechanische knik aan te tonen.

De bevinding opent een nieuw onderzoeksgebied in de studie van dynamisch gedrag van vrijstaande tweedimensionale materialen gecontroleerd door scanning tunneling microscopie, zei Paul Thibado, hoogleraar natuurkunde aan de U of A die de studie leidde.

"Vrijstaand grafeen is constant in beweging, Thibado zei. "Het beweegt op en neer als een boei die in de oceaan dobbert. De dobberende beweging wordt met tussenpozen onderbroken wanneer het materiaal verandert van het uiterlijk van het binnenste deel van een kom naar het buitenste deel van de kom - die hoge snelheid, snap-through beweging staat bekend als mechanisch knikken."

De onderzoekers ontdekten dat de knikbeweging correleert met een fenomeen dat bekend staat als een "Lévy-vlucht, " genoemd naar de Franse wiskundige Paul Lévy. Lévy-vlucht verwijst naar een willekeurig wandelproces waarbij lange excursies plaatsvinden met hogere statistische kansen dan een normaal systeem in constante willekeurige beweging. Lévy-vluchten komen veel voor in biologische systemen en modelleren nauwkeurig foerageerpatronen van dieren.

Het fenomeen is niet waargenomen op atomaire schaal met een anorganisch systeem tot deze studie, Thibado zei, waardoor het mogelijk wordt om lange excursie-evenementen te voorspellen en te controleren.

"Knikgebeurtenissen in 2D-materialen zijn de sleutel tot het begrijpen van het fenomeen Levy-vluchten, " hij zei.

De continue beweging van vrijstaande grafeen, versterkt door de hoge kinetische energie van deze willekeurige inversies, kan worden omgezet in elektrische stroom en worden gebruikt in plaats van batterijen om kleine elektronische apparaten van stroom te voorzien, zei Thibado. Er is dringend behoefte aan de ontwikkeling van andere energiebronnen dan batterijen, vooral naarmate draadloze sensornetwerken groeien die niet-computerobjecten met internet verbinden.

Dergelijke draadloze sensornetwerken staan ​​gezamenlijk bekend als het internet der dingen, zoals hardloopschoenen die prestatiefeedback geven aan een atleet of een "slim" irrigatiesysteem dat de vochtigheidsniveaus van afgelegen velden bewaakt en rapporteert.

Surendra Singh, hoogleraar natuurkunde aan de U of A en co-auteur van de studie, hielp bij het identificeren van het verband tussen Lévy-vluchten en de statistische eigenschappen van het systeem. Co-auteur Pradeep Kumar, universitair docent natuurkunde aan de U van A, inzicht gegeven in het ontwikkelen van de moleculaire dynamica-simulatie, wat bewees dat het mechanisme voor de lange excursies mechanisch knikken was.