Een team van wetenschappers van de Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) heeft een nieuwe mechanische reinigingsmethode ontwikkeld voor oppervlakken op nanoschaal. De techniek verwijdert met succes zelfs de kleinste verontreinigingen tot op atomaire schaal, het bereiken van een ongekend niveau van reinheid. De resultaten van deze studie onder leiding van Prof. Dr. Erdmann Spiecker van de afdeling Materials Science van de FAU zijn nu gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Natuurcommunicatie .

's Werelds kleinste bezem

De inspiratie voor de techniek is ontleend aan het dagelijks leven, omdat schoonmaken met een bezem op een vergelijkbare manier werkt. Natuurlijk, op nanoschaal in plaats van een hele bezem te gebruiken, slechts een enkele borstel in de vorm van een zeer kleine metalen punt wordt gebruikt. Deze 'borstel' wordt op een oppervlak gedrukt en in een vegende beweging heen en weer bewogen. 'Het lijkt echt verrassend veel op een gewone bezem, ' zegt prof. Spiecker, Leerstoel Micro- en Nanostructuuronderzoek. 'Een bezem verwijdert losse deeltjes zoals stof of paneermeel, en op nanoschaal is dat niet anders.' Echter, op kleine schaal, de bezem wordt niet met de hand bediend, maar in plaats daarvan door een joystick die een kleine piëzomotor bestuurt. Bovendien, krachtige elektronenmicroscopen worden gebruikt om het reinigingsproces in realtime te bewaken en aan te sturen.

Het dunste raam ter wereld schoonmaken

Door grafeen te reinigen, het team slaagde erin hun techniek toe te passen op het dunste materiaal dat er bestaat, omdat grafeen is gemaakt van een enkele atomaire laag koolstof. 'Een grote uitdaging was om het grafeen van beide kanten schoon te maken, vergelijkbaar met het schoonmaken van een ruit, ' zegt Peter Schweizer, een onderzoeksmedewerker bij de leerstoel Micro- en Nanostructure Research, die de delicate experimenten uitvoerde met zijn collega Christian Dolle. 'Met onze elektronenmicroscopen, we moeten altijd door de stof heen kijken. Anders, het is onmogelijk om de atomaire structuur te onthullen.' Grafeen staat bekend om zijn mechanische sterkte. Hoe dan ook, het is hoogst verrassend dat een monoatomaire laag de hoge mechanische krachten van een reinigingsprocedure kan overleven zonder te worden beschadigd. 'Toen we het voor het eerst aan onze collega's vertelden, ze geloofden ons niet, ' voegt prof. Spiecker toe.

Nanostof:niets blijft voor altijd schoon

Dankzij atomair schone oppervlakken konden de auteurs van deze studie ook de oorsprong en mechanismen van herbesmetting op nanoschaal onderzoeken. Als een gereinigd monster in de lucht wordt achtergelaten, ontstaat er een snelle ophoping van stof op het oppervlak. 'Dat is niet zo verwonderlijk, aangezien we maar al te goed bekend zijn met het neerslaan van stof in onze huizen. Er is geen reden waarom dit op nanoschaal anders zou zijn, ' zegt prof. Spiecker. Naast luchtverontreiniging, het team vond ook een prevalentie van oppervlaktediffusie wanneer een schoongemaakt monster in een vacuümomgeving wordt geplaatst, een fenomeen dat je vaak tegenkomt in wetenschappelijke experimenten.

Moleculaire assemblage

Eindelijk, het onderzoeksteam gebruikte de atomair schone oppervlakken als basis voor de gerichte montage van een atomair dunne laag uit moleculaire bouwstenen. Porfyrinemoleculen gesynthetiseerd in de afdeling Chemie werden op de gereinigde oppervlakken aangebracht en op hun plaats gelast door een krachtige elektronenstraal. Het resultaat was een grafeenachtige monolaag met nanokristallijne structuur.