石墨烯生长：物理学家找到一种方法将其可视化

石墨烯是最强的材料之一。最重要的是，它非常擅长传导热量和电流，使其成为我们所知道的最特殊和最通用的材料之一。由于所有这些原因，石墨烯的发现在2010年获得了诺贝尔物理学奖。

然而，材料及其表亲的许多性质仍然知之甚少 - 原因很简单，它们组成的原子很难观察到。来自阿姆斯特丹大学和纽约大学的一组研究人员现在已经找到了解决这个问题的惊人方法。

由超薄单层原子晶体组成的二维材料最近引起了很多关注。这种当之无愧的关注主要是由于它们不寻常的特性，与它们的三维“散装”对应物非常不同。石墨烯，最著名的代表，以及许多其他二维材料，现在都在实验室中深入研究。

也许令人惊讶的是，对这些材料的特殊性能至关重要的是缺陷，即晶体结构不完美的位置。在那里，原子层的有序排列受到干扰，原子的配位局部变化。

可视化原子

尽管缺陷已被证明对材料的性能至关重要，并且它们几乎总是存在或故意添加，但对它们如何形成以及如何随时间演变知之甚少。原因很简单：原子太小了，移动得太快，无法直接跟随它们。

为了使类石墨烯材料的缺陷可观察到，来自UvA物理研究所和纽约大学的研究人员团队找到了一种建立微米级原子石墨烯模型的方法。为了实现这一目标，他们使用了所谓的“斑片状颗粒”。这些粒子 - 大到足以在显微镜中容易看到，但又足够小以再现实际原子的许多性质 - 与石墨烯中的原子具有相同的配位相互作用，并形成相同的结构。

研究人员建立了一个模型系统，并用它来深入了解缺陷，它们的形成和随时间演变。他们的研究结果发表在Nature Communications上。

建筑石墨烯

石墨烯由碳原子组成，每个碳原子有三个邻居，以众所周知的“蜂窝”结构排列。正是这种特殊的结构赋予了石墨烯独特的机械和电子性能。为了在他们的模型中实现相同的结构，研究人员使用了由聚苯乙烯制成的微小颗粒，装饰有三个更小的3-(三甲氧基硅基)丙基材料(简称TPM)的贴片。

TPM贴片的配置模仿了石墨烯晶格中碳原子的配位。然后，研究人员使这些贴片具有吸引力，以便颗粒可以相互形成键，再次类似于石墨烯中的碳原子。

在单独放置几个小时后，当在显微镜下观察时，“模拟碳”颗粒确实排列成蜂窝状晶格。然后，研究人员更详细地研究了石墨烯晶格模型中的缺陷。他们观察到，在这方面，该模型也起作用了：它显示了原子石墨烯中也已知的特征缺陷基序。

与真正的石墨烯相反，模型的直接观察和较长的形成时间现在允许物理学家从形成之初跟踪这些缺陷，直到集成到晶格中。

意外结果

对类石墨烯材料生长的新看法立即导致了对这些二维结构的新认识。出乎意料的是，研究人员发现，最常见的缺陷类型已经在生长的初始阶段形成，当时晶格尚未建立。他们还观察到晶格失配如何被另一个缺陷“修复”，导致稳定的缺陷配置，该缺陷配置要么保持，要么非常缓慢地进一步愈合到更完美的晶格。

因此，该模型系统不仅允许研究人员在更大范围内重建石墨烯晶格用于各种应用，而且直接观察还可以深入了解这类材料的原子动力学。由于缺陷是所有原子薄材料特性的核心，因此模型系统中的这些直接观察有助于进一步设计原子对应物，例如超轻质材料以及光学和电子设备中的应用。

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