(Nanowerk Nieuws) De migratie van koolstofatomen op het oppervlak van het nanomateriaal grafeen werd onlangs voor het eerst gemeten. Hoewel de atomen te snel bewegen om direct met een elektronenmicroscoop te worden waargenomen, kan hun effect op de stabiliteit van het materiaal nu indirect worden bepaald terwijl het materiaal wordt verwarmd op een microscopisch kleine hete plaat. De studie van onderzoekers van de Faculteit der Natuurkunde van de Universiteit van Wenen is gepubliceerd in het tijdschrift Carbon Fibre ("Indirecte meting van de migratiebarrière van koolstofadatomen op grafeen"). Een koolstofatoom (oranje gemarkeerd) dat op het oppervlak van grafeen bij verhoogde temperatuur naar een leegte migreert, racet tegen een scannende elektronenstraal (groen-gele gloed) die dezelfde positie nadert. (Concept: Toma Susi / Uni. Wenen, Grafisch ontwerp: Ella Maru Studio) Koolstof is een element dat essentieel is voor al het bekende leven en komt in de natuur voornamelijk voor als grafiet of diamant. In de afgelopen decennia hebben materiaalwetenschappers veel nieuwe vormen van koolstof gecreëerd, waaronder fullerenen, koolstofnanobuisjes en grafeen. Met name grafeen is het onderwerp geweest van intensief onderzoek, niet alleen vanwege zijn overtreffende trap eigenschappen, maar ook omdat het bijzonder geschikt is voor experimenten en modellering. Het is echter niet mogelijk geweest om enkele fundamentele processen te meten, waaronder de beweging van koolstofatomen op het oppervlak. Deze willekeurige migratie is de atomaire oorsprong van het diffusieverschijnsel. Diffusie (van het Latijnse diffundere: "uitspreiden", "verstrooien") verwijst naar de natuurlijke beweging van deeltjes zoals atomen of moleculen in gassen, vloeistoffen of vaste stoffen. In de atmosfeer en de oceanen zorgt dit fenomeen voor een gelijkmatige verdeling van zuurstof en zout. In de technische industrie is het van centraal belang voor staalproductie, lithium-ionbatterijen en brandstofcellen, om maar een paar voorbeelden te noemen. In de materiaalkunde verklaart diffusie aan het oppervlak van vaste stoffen hoe bepaalde katalytische reacties verlopen en hoe veel kristallijne materialen, waaronder grafeen, worden gekweekt. Oppervlaktediffusiesnelheden zijn over het algemeen afhankelijk van de temperatuur: hoe warmer, hoe sneller de atomen migreren. Door deze snelheid bij verschillende temperaturen te meten, kunnen we in principe de energiebarrière bepalen die beschrijft hoe gemakkelijk het is voor de atomen om van de ene plaats op het oppervlak naar de volgende te hopen. Dit is echter onmogelijk door directe beeldvorming als ze niet lang genoeg blijven zitten, wat het geval is voor koolstofatomen op grafeen. Dus tot nu toe was ons begrip gebaseerd op computersimulaties. De nieuwe studie overwint deze moeilijkheid door indirect hun effect te meten terwijl het materiaal op een microscopisch kleine hete plaat in een elektronenmicroscoop wordt verwarmd. Door de atomaire structuur van grafeen te visualiseren met elektronen terwijl ze af en toe atomen eruit schoppen, konden de onderzoekers bepalen hoe snel koolstofatomen op het oppervlak moeten bewegen om het vullen van de resulterende gaten bij verhoogde temperaturen te verklaren. Door elektronenmicroscopie, computersimulaties en inzicht in het samenspel van het beeldvormingsproces met de diffusie te combineren, kon een schatting voor de energiebarrière worden gemeten. "Na zorgvuldige analyse hebben we de waarde vastgesteld op 0.33 elektronvolt, iets lager dan verwacht", zegt hoofdauteur Andreas Postl. De studie is ook een voorbeeld van serendipiteit in onderzoek, aangezien het oorspronkelijke doel van het team was om de temperatuurafhankelijkheid van deze bestralingsschade te meten.