人们对石墨烯及其近亲的许多性质仍然知之甚少——原因很简单，它们由原子组成，很难观察到。阿姆斯特丹大学和纽约大学的一组研究人员现在发现了一种解决这个问题的惊人方法。
石墨烯典型的二维六边形结构。对于实际的石墨烯，这种蜂窝结构由碳原子组成 - 但现在，它也可以使用微米大小的聚苯乙烯颗粒重建。
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由超薄单层原子晶体构成的二维材料近年来引起了广泛的关注。这种当之无愧的关注主要是由于它们不同寻常的特性，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，原子层的有序排列被打乱，原子的配位发生局部变化。
可视化原子
尽管事实证明，缺陷对材料的性能至关重要，而且它们几乎总是存在或故意添加，但对于它们是如何形成的以及它们是如何随时间演变的，我们所知甚少。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的缺陷可观察到，来自阿姆斯特丹大学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，但又小到足以再现实际原子的许多特性——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，利用它来深入了解缺陷及其形成和随时间的演变。他们的研究结果于近日发表在 Nature Communications 上。
构建石墨烯
石墨烯由碳原子组成，每个碳原子有三个邻居，排列成众所周知的“蜂巢”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，并用3-(三甲氧基硅基)丙基或简称TPM的更小的材料贴片装饰。TPM贴片的结构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，这样粒子就可以相互形成键，再次类似于石墨烯中的碳原子。
由片状颗粒制成的石墨烯晶格碎片。由于可以逐个跟踪颗粒，因此可以在颗粒尺度上研究缺陷。
图片来源：Swinkels 等人
在单独放置几个小时后，在显微镜下观察这些“模拟碳”粒子，发现它们确实排列成蜂窝状晶格。研究人员随后更详细地研究了模型石墨烯晶格中的缺陷。他们还观察到，在这方面，模型是有效的：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，该模型的直接观察和长时间的形成使得物理学家可以从这些缺陷的形成开始，一直到融入晶格。
意想不到的结果
对石墨烯类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，那时晶格尚未建立。他们还观察到晶格失配是如何被另一个缺陷“修复”的，导致一个稳定的缺陷配置，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，该模型系统不仅可以在更大范围内重建石墨烯晶格，用于各种应用，而且通过直接观测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的核心属性，这些在模型系统中的直接观察有助于进一步设计原子对应物，例如在超轻材料和光学和电子设备中的应用。
文献信息：
Piet J. M. Swinkels et al, Visualizing defect dynamics by assembling the colloidal graphene lattice, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-37222-4.
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