Le proprietà dei materiali sono spesso definite da imperfezioni nella loro struttura atomica, specialmente quando il materiale stesso è spesso solo un atomo, come il grafene. I ricercatori dell'Università di Vienna hanno ora sviluppato un metodo per la creazione controllata di tali imperfezioni nel grafene su scale di lunghezza che si avvicinano al mondo macroscopico. Questi risultati, confermato da immagini al microscopio risolte atomicamente e pubblicato sulla rivista Nano lettere , servire come punto di partenza essenziale sia per la personalizzazione del grafene per le applicazioni sia per lo sviluppo di nuovi materiali.

Il grafene è costituito da atomi di carbonio disposti in uno schema simile a un filo di pollo. Questo materiale dello spessore di un atomo è famoso per le sue numerose proprietà straordinarie, come estrema forza e notevole capacità di condurre elettricità. Dalla sua scoperta, i ricercatori hanno cercato modi per personalizzare ulteriormente il grafene attraverso la manipolazione controllata della sua struttura atomica. Però, fino ad ora, tali modifiche sono state confermate solo localmente, a causa delle sfide nell'imaging a risoluzione atomica di grandi campioni e nell'analisi di grandi set di dati.

Ora un team attorno a Jani Kotakoski dell'Università di Vienna insieme a Nion Co. ha combinato un setup sperimentale costruito attorno a un microscopio Nion UltraSTEM 100 a risoluzione atomica e nuovi approcci all'imaging e all'analisi dei dati attraverso l'apprendimento automatico per portare il controllo su scala atomica del grafene verso dimensioni macroscopiche del campione. La procedura sperimentale è mostrata in Figura 1.

L'esperimento inizia pulendo il grafene tramite irraggiamento laser, dopo di che viene modificato in modo controllabile utilizzando l'irradiazione di ioni argon a bassa energia. Dopo aver trasferito il campione al microscopio sotto vuoto, è ripreso a risoluzione atomica con un algoritmo automatico. Le immagini registrate vengono passate a una rete neurale che riconosce la struttura atomica fornendo una panoramica completa dell'alterazione su scala atomica del campione.

"La chiave del successo dell'esperimento è stata la combinazione della nostra configurazione sperimentale unica con i nuovi algoritmi di imaging automatizzato e di apprendimento automatico, "dice Alberto Trentino, l'autore principale dello studio. "Sviluppare tutti i pezzi necessari è stato un vero lavoro di squadra, e ora possono essere facilmente utilizzati per esperimenti di follow-up, " continua. Anzi, dopo questa confermata modifica su scala atomica del grafene su una vasta area, i ricercatori stanno già ampliando il metodo per utilizzare le imperfezioni strutturali create per ancorare gli atomi di impurità alla struttura. "Siamo entusiasti della prospettiva di creare nuovi materiali progettati a partire dal livello atomico, in base a questo metodo, "Jani Kotakoski, il capo del gruppo di ricerca, conclude.