Le graphène "chaud" révèle la migration des atomes de carbone
Cette étude est un exemple de sérendipité dans la recherche.
La migration des atomes de carbone à la surface du nanomatériau qu'est le graphène a récemment été mesurée pour la première fois. Bien que les atomes se déplacent trop rapidement pour être observés directement au microscope électronique, leur effet sur la stabilité du matériau peut maintenant être déterminé indirectement pendant que le matériau est chauffé sur une plaque chauffante microscopique. L'étude des chercheurs de la faculté de physique de l'université de Vienne a été publiée dans la revue Carbon.
Un atome de carbone (surligné en orange) migrant à la surface du graphène à température élevée vers une vacance, en course contre un faisceau d'électrons à balayage (lueur verte-jaune) s'approchant de la même position.
© Concept: Toma Susi / Uni. Vienna, Graphic design: Ella Maru Studio
Le carbone est un élément essentiel à toute vie connue et existe dans la nature principalement sous forme de graphite ou de diamant. Au cours des dernières décennies, les spécialistes des matériaux ont créé de nombreuses nouvelles formes de carbone, dont les fullerènes, les nanotubes de carbone et le graphène. Le graphène en particulier a fait l'objet de recherches intensives, non seulement en raison de ses propriétés superlatives, mais aussi parce qu'il se prête particulièrement bien aux expériences et à la modélisation. Cependant, il n'a pas été possible de mesurer certains processus fondamentaux, notamment le mouvement des atomes de carbone à sa surface. Cette migration aléatoire est l'origine atomique du phénomène de diffusion.
La diffusion (du latin diffundere : "étaler", "disperser") désigne le mouvement naturel de particules telles que des atomes ou des molécules dans des gaz, des liquides ou des solides. Dans l'atmosphère et les océans, ce phénomène assure une répartition uniforme de l'oxygène et du sel. Dans les industries techniques, il est d'une importance capitale pour la production d'acier, les batteries lithium-ion et les piles à combustible, pour ne citer que quelques exemples. En science des matériaux, la diffusion à la surface des solides explique le déroulement de certaines réactions catalytiques et la croissance de nombreux matériaux cristallins, dont le graphène.
Les vitesses de diffusion à la surface dépendent généralement de la température : plus il fait chaud, plus les atomes migrent rapidement. En principe, en mesurant cette vitesse à différentes températures, nous pouvons déterminer la barrière énergétique qui décrit la facilité avec laquelle les atomes espèrent passer d'un site à l'autre de la surface. Cependant, cela est impossible par imagerie directe s'ils ne restent pas en place assez longtemps, ce qui est le cas des atomes de carbone sur le graphène. Ainsi, jusqu'à présent, notre compréhension reposait sur des simulations informatiques. La nouvelle étude surmonte cette difficulté en mesurant indirectement leur effet tout en chauffant le matériau sur une plaque chauffante microscopique à l'intérieur d'un microscope électronique.
En visualisant la structure atomique du graphène avec des électrons tout en expulsant occasionnellement des atomes, les chercheurs ont pu déterminer à quelle vitesse les atomes de carbone à la surface doivent se déplacer pour expliquer le remplissage des trous qui en résulte à des températures élevées. En combinant la microscopie électronique, les simulations informatiques et la compréhension de l'interaction entre le processus d'imagerie et la diffusion, une estimation de la barrière énergétique a pu être mesurée. "Après une analyse minutieuse, nous avons déterminé que la valeur était de 0,33 électronvolt, soit un peu moins que prévu", déclare l'auteur principal Andreas Postl.
L'étude est également un exemple de sérendipité dans la recherche, car l'objectif initial de l'équipe était de mesurer la dépendance de la température de ces dommages d'irradiation. "Honnêtement, ce n'était pas ce que nous avions initialement prévu d'étudier, mais de telles découvertes en science arrivent souvent en poursuivant avec persévérance des détails petits mais inattendus", conclut l'auteur principal Toma Susi.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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