Stap in ontwikkeling verbeterd grafeen

De Nederlandse Universiteit van Amsterdam en New York University bouwden modellen van atomair grafeen, om zo te ontdekken hoe defecten ontstaan die zorgen voor bijzondere eigenschappen.

Trefwoorden: #grafeen, #materialen, #research

Lees verder

research

( Foto: Wikimedia Commons )

ENGINEERINGNET.BE - Tweedimensionale materialen die bestaan uit een enkele, hyperdunne laag van atomair kristal, hebben bijzondere eigenschappen, die heel anders zijn dan die van hun driedimensionale tegenhangers.

Hierbij zijn defecten in het rooster, de plekken waar de kristalstructuur juist níét perfect is, cruciaal voor de speciale eigenschappen van deze materialen. Op die plekken wordt de geordende rangschikking van de atomen verstoord en verandert plaatselijk hun coördinatie.

Er is echter nog weinig bekend over hoe deze defecten ontstaan en hoe ze in de loop van de tijd evolueren. Atomen zijn namelijk te klein en bewegen te snel om ze te kunnen volgen.

Onderzoekers van de UvA en New York University ontwikkelde daarom een manier om micrometers grote modellen van atomair grafeen te bouwen. Hiervoor gebruikten ze zogeheten ‘patchy particles’. Die deeltjes zijn groot genoeg om zichtbaar te zijn onder een microscoop, en klein genoeg om allerlei eigenschappen van echte atomen te reproduceren.

De deeltjes hebben dezelfde gecoördineerde interactie als atomen in grafeen, en vormen daardoor eenzelfde structuur. De onderzoekers bouwden zo een modelsysteem en gebruikten dat om inzicht te krijgen in de defecten, hun vorming en hun tijdsevolutie.

Grafeen bestaat uit koolstofatomen die elk drie buren hebben, gerangschikt in een honingraatpatroon. Om dezelfde structuur in hun model te bewerkstelligen, gebruikten de onderzoekers microscopisch kleine bolletjes van polystyreen voorzien van drie kleinere lapjes van 3-(trimethoxysilyl)propyl (TPM).

De configuratie van de stukjes TPM bootste de rangschikking van koolstofatomen in het grafeenrooster na. De onderzoekers maakten de TPM-stukjes vervolgens aantrekkend, zodat de deeltjes bindingen met elkaar konden vormen, in analogie met de koolstofatomen in grafeen.

De namaak-koolstofdeeltjes rangschikten zichzelf in een honingraatpatroon, en er ontstonden karakteristieke patronen van defecten te zien, zoals die ook bekend waren uit atomair grafeen.

De natuurkundigen konden, door de lange vormingstijd en rechtstreeks observeren, voor het eerst de defecten vanaf hun eerste vorming tot hun integratie in het rooster volgen.

Zij ontdekten dat de meest voorkomende soort defecten gevormd worden in de allereerste groeistadia, nog voordat het rooster is opgebouwd. Ze zagen ook hoe de verstoring van het rooster vervolgens ‘gerepareerd’ wordt door een tweede defect, waardoor een stabiele configuratie van defecten ontstaat die lang aanwezig blijft, of heel langzaam geneest tot een regelmatiger rooster.

Deze waarnemingen aan modelsystemen helpen om hun atomaire tegenhangers beter te ontwerpen, wat bijvoorbeeld toepaspaar is bij het maken van ultralichte materialen en elektronische apparaten.