Le imperfezioni nelle regolari disposizioni atomiche nei cristalli determinano molte delle proprietà di un materiale, e la loro diffusione è alla base di molti cambiamenti microstrutturali nei solidi. Però, l'imaging di disposizioni atomiche non ripetitive è difficile nei materiali convenzionali. Ora, i ricercatori dell'Università di Vienna hanno ripreso direttamente la diffusione di un difetto atomico a forma di farfalla nel grafene, il meraviglioso materiale bidimensionale scoperto di recente, su lunghe sequenze di immagini. I risultati sono pubblicati sulla prestigiosa rivista Comunicazioni sulla natura .

I difetti di scala atomica sono sempre presenti nei materiali. Per i materiali convenzionali sono nascosti all'interno di un gran numero di atomi perfettamente disposti, tranne che in superficie. Però, la situazione è diversa nel caso di materiali a bassa dimensionalità come il grafene.

Il grafene è una disposizione a nido d'ape di atomi di carbonio dello spessore di un solo atomo di carbonio. Dalla sua scoperta nel 2004, sono state misurate diverse proprietà notevoli di questo materiale. Per esempio, è più forte del diamante e conduce l'elettricità meglio del rame, ma è comunque trasparente e notevolmente flessibile. Poiché tutti gli atomi del grafene sono in superficie, i singoli atomi ed eventuali difetti nella struttura sono direttamente visibili in un microscopio elettronico ad alta risoluzione, ma allo stesso tempo interagiscono facilmente con l'ambiente.

Il difetto su cui si sono concentrati i ricercatori nel recente studio a Vienna è una doppia vacanza che si forma quando mancano due atomi dal cristallo. Nella forma più stabile di questo difetto gli esagoni del reticolo di grafene si trasformano in una disposizione di quattro pentagoni e quattro ettagoni (anelli di carbonio a cinque e sette membri, rispettivamente) che sembra una farfalla su scala atomica. Lo studio è stato effettuato con il microscopio Nion UltraSTEM 100, che è stato installato a Vienna solo l'anno scorso. La combinazione di vuoto ultra alto e bassa tensione di accelerazione di questo dispositivo sono stati componenti chiave per il successo dello studio. In esperimenti precedenti, i difetti si sono sempre rapidamente evoluti in strutture più complesse o riconvertiti in grafene cristallino, impedendo così l'imaging continuo della loro diffusione per lunghi periodi di tempo. Ora, i difetti sono rimasti stabili per un periodo di tempo più lungo che ha consentito un'analisi statistica del loro movimento.

I ricercatori hanno utilizzato il fascio di elettroni del microscopio per trasformare il difetto tra diverse disposizioni, che ha comportato una migrazione della struttura da un'immagine all'altra. "È stato straordinario vedere per la prima volta come un difetto si trasforma e migra nel cristallo per diversi minuti mentre lo osserviamo", dice Jani Kotakoski, l'autore principale dello studio. Un'attenta analisi del percorso del difetto ha rivelato che il difetto ha eseguito una passeggiata casuale attraverso il cristallo. "Il nostro studio apre una nuova strada per lo studio diretto della migrazione e diffusione dei difetti in materiali a bassa dimensionalità, che può anche portare a nuove intuizioni sulla dinamica dei difetti nei solidi in generale", conclude.