Графен — один из самых прочных материалов. Кроме того, он исключительно хорошо проводит тепло и электрический ток, что делает его одним из самых специальных и универсальных материалов, которые мы знаем. По всем этим причинам открытие графена было удостоено Нобелевской премии по физике в 2010 году.

Тем не менее, многие свойства материала и его кузенов до сих пор плохо изучены — по той простой причине, что атомы, из которых они состоят, очень трудно наблюдать. Группа исследователей из Университета Амстердама и Нью-Йоркского университета нашла удивительный способ решить эту проблему.

Двумерные материалы, состоящие из сверхтонкого одиночного слоя атомарного кристалла, в последнее время привлекают большое внимание. Это заслуженное внимание в основном связано с их необычными свойствами, сильно отличающимися от их трехмерных «объемных» собратьев. Графен, самый известный представитель, и многие другие двумерные материалы в настоящее время интенсивно исследуются в лаборатории.

Возможно, это покажется удивительным, но решающее значение для особых свойств этих материалов имеют дефекты, места, где кристаллическая структура несовершенна. Там нарушается упорядоченное расположение слоя атомов и локально изменяется координация атомов.

Визуализация атомов

Несмотря на то, что было показано, что дефекты имеют решающее значение для свойств материала, и они почти всегда либо присутствуют, либо добавлены намеренно, мало что известно о том, как они образуются и как они развиваются во времени. Причина этого проста: атомы слишком малы и движутся слишком быстро, чтобы следовать за ними напрямую.

Стремясь сделать видимыми дефекты в графеноподобных материалах, группа исследователей из Института физики Университета штата Калифорния и Нью-Йоркского университета нашла способ построить микрометровые модели атомарного графена. Для этого они использовали так называемые «пятнистые частицы». Эти частицы — достаточно большие, чтобы их можно было легко увидеть в микроскоп, и в то же время достаточно маленькие, чтобы воспроизвести многие свойства реальных атомов — взаимодействуют с той же координацией, что и атомы в графене, и образуют ту же структуру.

Исследователи построили модельную систему и использовали ее, чтобы получить представление о дефектах, их образовании и эволюции во времени.

Строительный графен

Графен состоит из атомов углерода , у каждого из которых есть три соседа, расположенных в хорошо известной «сотовой» структуре. Именно эта особая структура придает графену уникальные механические и электронные свойства. Чтобы добиться такой же структуры в своей модели, исследователи использовали крошечные частицы из полистирола, украшенные тремя еще более крошечными участками материала, известного как 3-(триметоксисилил)пропил, или сокращенно ТРМ.

Конфигурация участков TPM имитировала координацию атомов углерода в решетке графена . Затем исследователи сделали пятна привлекательными, чтобы частицы могли образовывать связи друг с другом, опять же по аналогии с атомами углерода в графене.

После того, как их оставили в покое на несколько часов, при наблюдении под микроскопом оказалось, что частицы «ложного углерода» действительно выстраиваются в сотовую решетку. Затем исследователи более подробно изучили дефекты в модельной решетке графена. Они заметили, что и в этом отношении модель работала: она показала характерные мотивы дефектов, которые также известны из атомарного графена.

В отличие от реального графена, прямое наблюдение и длительное время формирования модели теперь позволяли физикам проследить эти дефекты с самого начала их образования, вплоть до интеграции в решетку.

Неожиданные результаты

Новый взгляд на рост графеноподобных материалов сразу же привел к новым знаниям об этих двумерных структурах. Неожиданно исследователи обнаружили, что самый распространенный тип дефекта формируется уже на самых начальных стадиях роста, когда решетка еще не установлена. Они также наблюдали, как несоответствие решетки затем «исправляется» другим дефектом, что приводит к стабильной конфигурации дефекта, которая либо остается, либо очень медленно заживает дальше до более совершенной решетки.

Таким образом, модельная система не только позволяет исследователям перестраивать решетку графена в большем масштабе для всех видов приложений, но и прямые наблюдения также позволяют получить представление об атомной динамике в этом классе материалов. Поскольку дефекты занимают центральное место в свойствах всех атомарно тонких материалов, эти непосредственные наблюдения в модельных системах помогают в дальнейшей разработке атомных аналогов, например, для применения в сверхлегких материалах, оптических и электронных устройствах.