La migrazione degli atomi di carbonio sulla superficie del grafene nanomateriale è stata recentemente misurata per la prima volta. Sebbene gli atomi si muovano troppo rapidamente per essere osservati direttamente con un microscopio elettronico, il loro effetto sulla stabilità del materiale può ora essere determinato indirettamente mentre il materiale viene riscaldato su una piastra calda microscopica. Lo studio dei ricercatori della Facoltà di Fisica dell'Università di Vienna è stato pubblicato sulla rivista Carbon .

Il carbonio è un elemento essenziale per tutta la vita conosciuta ed esiste in natura principalmente come grafite o diamante. Negli ultimi decenni, gli scienziati dei materiali hanno creato molte nuove forme di carbonio che includono fullereni, nanotubi di carbonio e grafene. Il grafene in particolare è stato oggetto di intense ricerche, non solo per le sue proprietà superlative, ma anche perché è particolarmente adatto per esperimenti e modellistica. Tuttavia, non è stato possibile misurare alcuni processi fondamentali, incluso il movimento degli atomi di carbonio sulla sua superficie. Questa migrazione casuale è l'origine atomica del fenomeno della diffusione.

La diffusione si riferisce al movimento naturale di particelle come atomi o molecole in gas, liquidi o solidi. Nell'atmosfera e negli oceani, questo fenomeno assicura una distribuzione uniforme di ossigeno e sale. Nelle industrie tecniche, è di fondamentale importanza per la produzione di acciaio, batterie agli ioni di litio e celle a combustibile, solo per citare alcuni esempi. Nella scienza dei materiali, la diffusione sulla superficie dei solidi spiega come procedono determinate reazioni catalitiche e come vengono cresciuti molti materiali cristallini, incluso il grafene.

Le velocità di diffusione superficiale dipendono generalmente dalla temperatura:più caldo, più velocemente migrano gli atomi. In linea di principio, misurando questa velocità a diverse temperature, possiamo determinare la barriera energetica che descrive quanto sia facile per gli atomi sperare da un sito sulla superficie all'altro. Tuttavia, questo è impossibile mediante l'imaging diretto se non rimangono sufficientemente a lungo, come nel caso degli atomi di carbonio sul grafene. Pertanto, fino ad ora, la nostra comprensione si è basata su simulazioni al computer. Il nuovo studio supera questa difficoltà misurando indirettamente il loro effetto riscaldando il materiale su una microscopica piastra calda all'interno di un microscopio elettronico.

Visualizzando la struttura atomica del grafene con gli elettroni mentre occasionalmente espellono gli atomi, i ricercatori hanno potuto determinare la velocità con cui gli atomi di carbonio sulla superficie devono muoversi per spiegare il riempimento dei buchi risultanti a temperature elevate. Combinando la microscopia elettronica, simulazioni al computer e una comprensione dell'interazione del processo di imaging con la diffusione, è possibile misurare una stima della barriera energetica.

"Dopo un'attenta analisi, abbiamo individuato il valore a 0,33 elettronvolt, leggermente inferiore al previsto", afferma l'autore principale Andreas Postl. Lo studio è anche un esempio di serendipità nella ricerca, poiché l'obiettivo originale del team era misurare la dipendenza dalla temperatura di questo danno da irradiazione. "Onestamente, questo non era ciò che inizialmente ci eravamo prefissati di studiare, ma tali scoperte scientifiche spesso accadono perseguendo con insistenza dettagli piccoli ma inaspettati", conclude l'autore senior Toma Susi. + Esplora ulteriormente

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