I materiali possono deformarsi plasticamente lungo difetti lineari su scala atomica chiamati dislocazioni. Molte applicazioni tecniche come la forgiatura si basano su questo processo fondamentale, ma il potere delle dislocazioni viene sfruttato anche nelle zone di deformazione delle auto, ad esempio, dove le dislocazioni proteggono la vita trasformando l'energia in deformazione plastica. I ricercatori della FAU hanno ora trovato un modo per manipolare le dislocazioni individuali direttamente su scala atomica.

Utilizzando una microscopia elettronica avanzata in situ, i ricercatori del gruppo del Prof. Erdmann Spiecker hanno aperto nuove strade per esplorare i fondamenti della plasticità. Hanno pubblicato i loro risultati in Progressi scientifici .

L'interfaccia più sottile con difetti

Nel 2013, un gruppo interdisciplinare di ricercatori della FAU ha trovato dislocazioni nel grafene a doppio strato, uno studio innovativo pubblicato su Natura . I difetti di linea erano contenuti tra due piani, fogli di carbonio atomicamente sottili:l'interfaccia più sottile dove ciò è possibile. "Quando abbiamo trovato le dislocazioni nel grafene, sapevamo che non sarebbero stati interessanti solo per quello che fanno nel materiale specifico, ma anche che potrebbero servire come sistema modello ideale per studiare la plasticità in generale, " Spiega il prof. Spiecker. Il suo team di due dottorandi ha cercato un modo per interagire con loro.

È necessario un microscopio potente per vedere le dislocazioni. I ricercatori di Erlangen sono specialisti nel campo della microscopia elettronica, e sono costantemente alla ricerca di modi per espandere la tecnica. "Negli ultimi tre anni, abbiamo costantemente ampliato le capacità del nostro microscopio per funzionare come un banco di lavoro su scala nanometrica, " dice Peter Schweizer. "Ora possiamo vedere non solo le nanostrutture, ma anche interagire con loro, ad esempio spingendoli in giro, applicando calore o una corrente elettrica." Al centro di questo strumento ci sono piccoli bracci robotici che possono essere spostati con precisione su scala nanometrica. Questi bracci possono essere dotati di aghi molto sottili che possono essere spostati sulla superficie del grafene. Dispositivi di input speciali sono necessari per un controllo di alta precisione.

Plasticità a portata di mano

Al microscopio dove sono stati condotti gli esperimenti, ci sono molti strumenti scientifici e due controller per videogiochi. "Spesso gli studenti ci chiedono a cosa servono i gamepad, "dice Christian Dolle. "Ma certo, sono utilizzati esclusivamente per scopi scientifici. Non puoi guidare un minuscolo braccio robotico con una tastiera, hai bisogno di qualcosa di più intuitivo. Ci vuole un po' di tempo per diventare un esperto, ma allora, diventa possibile anche controllare i difetti di linea su scala atomica".

Una cosa che ha sorpreso i ricercatori all'inizio è stata la resistenza del grafene allo stress meccanico. "Quando ci pensi, sono solo due strati di atomi di carbonio e ci mettiamo dentro un ago molto affilato, " dice Peter Schweizer. Per la maggior parte dei materiali, sarebbe troppo, ma è noto che il grafene resiste a sollecitazioni estreme. Ciò ha permesso ai ricercatori di toccare la superficie del materiale con una punta fine in tungsteno e trascinare i difetti della linea intorno. "Quando l'abbiamo provato per la prima volta, non credevamo che avrebbe funzionato, ma poi siamo rimasti sbalorditi da tutte le possibilità che si sono improvvisamente aperte." Usando questa tecnica, i ricercatori potrebbero confermare teorie di vecchia data sulle interazioni dei difetti, oltre a trovarne di nuovi. "Senza controllare direttamente la dislocazione, non sarebbe stato possibile trovare tutte queste interazioni, "dice Dolle.

"Senza strumenti all'avanguardia e il tempo per provare qualcosa di nuovo non sarebbe stato possibile, " dice Spiecker. "È importante crescere con nuovi sviluppi, e cerca di ampliare le tecniche che hai a disposizione."