Materialen kunnen plastisch vervormen langs atomaire lijndefecten die dislocaties worden genoemd. Veel technische toepassingen zoals smeden zijn gebaseerd op dit fundamentele proces, maar de kracht van dislocaties wordt ook benut in de kreukelzones van auto's, bijvoorbeeld, waar dislocaties levens beschermen door energie om te zetten in plastische vervorming. FAU-onderzoekers hebben nu een manier gevonden om individuele dislocaties direct op atomaire schaal te manipuleren.

Met behulp van geavanceerde in situ elektronenmicroscopie, de onderzoekers in de groep van prof. Erdmann Spiecker hebben nieuwe manieren geopend om de fundamenten van plasticiteit te verkennen. Ze hebben hun bevindingen gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

De dunste interface met defecten

In 2013, een interdisciplinaire groep onderzoekers van de FAU vond dislocaties in dubbellaags grafeen - een baanbrekende studie die werd gepubliceerd in Natuur . De lijndefecten zaten tussen twee platte, atomair dunne platen koolstof - de dunste interface waar dit mogelijk is. "Toen we de dislocaties in grafeen vonden, we wisten dat ze niet alleen interessant zouden zijn voor wat ze doen in het specifieke materiaal, maar ook dat ze zouden kunnen dienen als een ideaal modelsysteem om plasticiteit in het algemeen te bestuderen, " legt prof. Spiecker uit. Zijn team van twee promovendi zocht een manier om met hen in contact te komen.

Een krachtige microscoop is nodig om dislocaties te zien. De onderzoekers uit Erlangen zijn specialisten op het gebied van elektronenmicroscopie, en denken voortdurend aan manieren om de techniek uit te breiden. "De afgelopen drie jaar we hebben de mogelijkheden van onze microscoop gestaag uitgebreid om te functioneren als een werkbank op nanoschaal, " zegt Peter Schweizer. "We kunnen nu niet alleen nanostructuren zien, maar ook interactie met hen, bijvoorbeeld door ze rond te duwen, het toepassen van warmte of een elektrische stroom." De kern van dit instrument zijn kleine robotarmen die met precisie op nanometerschaal kunnen worden bewogen. Deze armen kunnen worden uitgerust met zeer fijne naalden die op het oppervlak van grafeen kunnen worden bewogen. Speciale invoerapparaten zijn nodig voor een zeer nauwkeurige besturing.

Plasticiteit binnen handbereik

Bij de microscoop waar de experimenten werden uitgevoerd, er zijn veel wetenschappelijke instrumenten - en twee videogamecontrollers. "Studenten vragen ons vaak waar de gamepads voor zijn, " zegt Christian Dolle. "Maar natuurlijk, ze worden puur voor wetenschappelijke doeleinden gebruikt. Je kunt een kleine robotarm niet besturen met een toetsenbord, je hebt iets nodig dat intuïtiever is. Het kost wat tijd om een ​​expert te worden, maar dan, zelfs het beheersen van lijndefecten op atomaire schaal wordt mogelijk."

Een ding dat de onderzoekers in het begin verraste, was de weerstand van grafeen tegen mechanische stress. "Als je erover nadenkt, het zijn slechts twee lagen koolstofatomen - en we drukken daar een zeer scherpe naald in, " zegt Peter Schweizer. Voor de meeste materialen, dat zou te veel zijn, maar van grafeen is bekend dat het bestand is tegen extreme spanningen. Hierdoor konden de onderzoekers het oppervlak van het materiaal aanraken met een fijne wolfraampunt en de lijndefecten rondslepen. "Toen we het voor het eerst probeerden, we geloofden niet dat het zou werken, maar toen stonden we versteld van alle mogelijkheden die zich ineens voordeden." Met behulp van deze techniek, de onderzoekers konden al lang bestaande theorieën over defectinteracties bevestigen, ook nieuwe vinden. "Zonder directe controle over de dislocatie, het zou niet mogelijk zijn geweest om al deze interacties te vinden, ' zegt Dolle.

"Zonder state-of-the-art instrumenten en de tijd om iets nieuws te proberen zou dit niet mogelijk zijn geweest, Spiecker zegt. "Het is belangrijk om mee te groeien met nieuwe ontwikkelingen, en probeer de beschikbare technieken te verbreden."