Grafeen is een tweedimensionaal wondermateriaal dat wordt voorgesteld voor een breed scala aan toepassingen op het gebied van energie, technologie, bouw en meer sinds het in 2004 voor het eerst werd geïsoleerd uit grafiet.

Deze enkele laag koolstofatomen is sterk en toch flexibel, licht maar met een hoge weerstand, waarbij grafeen naar verwachting 200 keer resistenter is dan staal en vijf keer lichter dan aluminium.

Grafeen klinkt misschien perfect, maar dat is het letterlijk niet. Geïsoleerde monsters van deze 2D-allotroop zijn niet perfect vlak, het oppervlak is gegolfd. Grafeen kan ook structurele gebreken vertonen die in sommige gevallen schadelijk kunnen zijn voor de functie ervan en in andere gevallen essentieel kunnen zijn voor de gekozen toepassing. Dat betekent dat de gecontroleerde implementatie van defecten het verfijnen van de gewenste eigenschappen van tweedimensionale kristallen van grafeen mogelijk zou kunnen maken.

In een nieuw artikel in The European Physical Journal D , Milivoje Hadžijojić en Marko Ćosić, beiden van het Vinča Instituut voor Nucleaire Wetenschappen, Universiteit van Belgrado, Servië, onderzoeken de regenboogverstrooiing van fotonen die door grafeen gaan en hoe deze de structuur en onvolkomenheden van dit wondermateriaal onthult.

Hoewel er andere manieren zijn om de onvolkomenheden van grafeen te onderzoeken, hebben deze nadelen. Raman-spectroscopie kan bijvoorbeeld sommige typen defecten niet onderscheiden, terwijl transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie kristalstructuurdefecten met een uitstekende resolutie kan karakteriseren, maar de energetische elektronen die daarbij worden gebruikt, kunnen het kristalrooster aantasten.

"Het regenboogeffect is niet zo zeldzaam in de natuur. Het werd ook ontdekt bij de verstrooiing van atomen en moleculen. Het werd gedetecteerd bij experimenten met ionenverstrooiing op dunne kristallen. We hebben theoretisch een verstrooiing van protonen met lage energie op grafeen bestudeerd en aangetoond dat Bij dit proces treedt ook een regenboogeffect op”, zegt Hadžijojić. "Bovendien hebben we aangetoond dat de structuur van grafeen en thermische trillingen kunnen worden bestudeerd via het protonenregenboogverstrooiingseffect."

Met behulp van een proces dat regenboogverstrooiing wordt genoemd, observeerde het duo de diffractie die ze ondernamen toen deze door het grafeen ging en het 'regenboog'-patroon ontstond.

Als karakteristiek voor het diffractiepatroon ontdekten de onderzoekers dat perfect grafeen een regenboogpatroon opleverde waarin het middelste deel een enkele lijn was en het binnenste deel een patroon met hexagonale symmetrie demonstreerde, een symmetrie die afwezig was in imperfect grafeen.

De wetenschappers concludeerden ook dat specifieke defecttypen hun eigen onderscheidende regenboogpatronen produceren, en dit zou in toekomstig onderzoek kunnen worden gebruikt om defecttypen in een grafeenmonster te identificeren en karakteriseren.

"Onze aanpak is vrij uniek en zou potentieel kunnen dienen als een nuttige aanvullende karakteriseringstechniek van grafeen en soortgelijke tweedimensionale materialen", zegt Hadžijojić.

Meer informatie: M. Hadžijojić et al, Studie van grafeen door protonregenboogverstrooiing, The European Physical Journal D (2023). DOI:10.1140/epjd/s10053-023-00664-y

Journaalinformatie: Europees fysiek tijdschrift D

Aangeboden door Springer