石墨烯生长物理学家找到了一种可视化它的方法

石墨烯是最强的材料之一。最重要的是，它在传导热量和电流方面非常出色，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，石墨烯的发现获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

然而，人们对这种材料及其同类材料的许多特性仍知之甚少——原因很简单，因为构成它们的原子很难观察到。来自阿姆斯特丹大学和纽约大学的一组研究人员现已找到一种令人惊讶的方法来解决这个问题。

由超薄单层原子晶体组成的二维材料最近引起了广泛关注。这种当之无愧的关注主要是由于它们的不寻常特性，与三维“大块”对应物截然不同。最著名的代表石墨烯和许多其他二维材料，目前都在实验室中进行着深入的研究。

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，原子层的有序排列被打乱，原子的配位发生局部变化。

可视化原子

尽管缺陷已被证明对材料的性能至关重要，而且它们几乎总是存在或有意添加，但人们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，移动太快，无法直接跟随它们。

为了使类石墨烯材料中的缺陷可观察到，来自UvA物理研究所和纽约大学的研究团队找到了一种构建原子石墨烯微米级模型的方法。为实现这一目标，他们使用了所谓的“斑片状粒子”。这些粒子——大到足以在显微镜下容易看到，但又小到足以再现实际原子的许多特性——以与石墨烯中原子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的演变。他们的结果发表在NatureCommunications上。

建筑石墨烯

石墨烯由碳原子组成，每个碳原子具有三个相邻碳原子，排列成众所周知的“蜂窝”结构。正是这种特殊的结构赋予了石墨烯独特的机械和电子特性。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，并用三个更小的材料块装饰，这些材料被称为3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基-简称TPM。

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，这样颗粒就可以相互形成键，这再次类似于石墨烯中的碳原子。

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模型石墨烯晶格中的缺陷。他们观察到该模型在这方面也起作用：它显示了原子石墨烯中也已知的特征缺陷图案。

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它们形成的一开始就跟踪这些缺陷，直到集成到晶格中。

意想不到的结果

对类石墨烯材料生长的新认识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最初阶段形成，此时晶格尚未建立。他们还观察了晶格失配随后如何被另一个缺陷“修复”，从而导致稳定的缺陷配置，该配置要么保留，要么仅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为各种应用重建更大规模的石墨烯晶格，而且直接观察还可以深入了解此类材料中的原子动力学。由于缺陷是所有原子级薄材料特性的核心，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，例如用于超轻材料以及光学和电子设备中的应用。