Tutkijat kuvasivat kidevirheen elämänkaaren grafeenissa atomien tarkkuudella

Dislokaatio on yli sata vuotta tunnettu keskeinen käsite materiaalitieteissä. Kyseessä on kidevirhe, jossa kiinteän aineen normaalisti hyvin säännöllisissä atomitasoissa on epäjatkuvuuksia. Dislokaatiot ovat keskeisessä osassa materiaaleja muovattaessa. Kun vaikkapa auton pelti vääntyy mutkalle kolarissa, syntyy metallin kiteiseen rakenteeseen dislokaatioita, joiden liike mahdollistaa materiaalin murtumattoman muokkautumisen.

Vaikka dislokaation käsite on tunnettu jo hyvin pitkään, sen kokeellinen tutkiminen on ollut haastavaa. Kyseessä on pienimillään vain muutaman atomin kokoinen rakenne, ja kun tällainen on aineen sisässä, kokeellinen havaitseminen on vaikeaa. Dislokaatiot taivuttavat materiaalin kiderakennetta myös lähiympäristössään, ja tähän perustuvia epäsuoria havaintoja dislokaatoista on pystytty tekemään elektronimikroskooppia hyväksi käyttäen.

Nyt julkaistussa tutkimuksessa tutkijatohtori Ossi Lehtinen, tohtorikoulutettava Simon Kurasch, yliopistotutkija Arkady V. Krasheninnikov ja professori Ute Kaiser Helsingin ja Ulmin yliopistoista kuvasivat dislokaatioiden elämänvaiheita grafeenissa.

Grafeenin kaksiulotteinen vain yhden atomikerroksen paksuinen rakenne mahdollisti dislokaatioiden suoran kuvaamisen, kun normaalisti näkyvyyden estäviä atomikerroksia ei ollut tiellä. Tutkijat käyttivät Ulmin yliopiston läpäisyelektronimikroskooppia grafeenin kuvaamiseen. Viimeisinä vuosikymmeninä elektronioptiikka on kehittynyt pitkin loikin, ja nykyisillä läpäisyelektronimikroskoopeilla pystytäänkin kuvaamaan kaksiulotteisia materiaaleja reaaliaikaisesti yksittäisten atomien tarkkuudella.

Materiaalia muokkaavana voimana tutkimuksessa toimi mikroskoopissa materiaalien kuvaamiseen käytetty korkeaenerginen elektronisäde. Kun elektronisäde tarkennetaan vain muutamien neliönanometrien kokoiselle alueelle, vastaa säteilyn voimakkuus olosuhteita laukeavan ydinpommin vieressä. Tutkijat käyttivät siis samoja eletroneita sekä tutkittavan ilmiön aiheuttamiseen että kuvaamiseen.

Mikroskoopilla kuvatuissa kuvasarjoissa voidaan seurata, kuinka dislokaatioita syntyy grafeeniin, kuinka ne liikkuvat ja vuorovaikuttavat keskenään, ja lopulta joko ajautuvat kiteen reunoille tai häviävät kohdatessaan vastakkaissuuntaisia dislokaatioita. Tämä on ensimmäinen kerta, kun dislokaatioiden koko elämänkaari on pystytty kuvaamaan missään materiaalissa reaaliaikaisesti ja atomien tarkkuudella, yli sata vuotta teoreettisen käsitteen keksimisen jälkeen.

Viitteet:

Atomic scale study of the life cycle of a dislocation in graphene from birth to annihilation, Ossi Lehtinen, Simon Kurasch, Arkady V. Krasheninnikov, Ute Kaiser, Nature Communications 4, Article number: 2098 (2013) doi:10.1038/ncomms3098 (2013)

http://www.nature.com/ncomms/2013/130628/ncomms3098/full/ncomms3098.html

Lisätietoja antaa:

Ossi Lehtinen, Ulmin yliopisto, ossi.lehtinen@uni-ulm.de, +49 176 8778 0094

Kuvateksti: Dislokaatio-dipoli grafeenissa. Kaksiulotteinen materiaali vääntyy mutkille näiden kidevirheiden välissä.

Kuvan saa pyynnöstä osoitteella minna.merilainen@helsinki.fi

Ystävällisin terveisin

Minna Meriläinen, tiedottaja, puhelin (09) 191 51042