Las imperfecciones en los arreglos atómicos regulares de los cristales determinan muchas de las propiedades de un material, y su difusión está detrás de muchos cambios microestructurales en sólidos. Sin embargo, la obtención de imágenes de disposiciones atómicas no repetidas es difícil en materiales convencionales. Ahora, investigadores de la Universidad de Viena obtuvieron imágenes directas de la difusión de un defecto atómico en forma de mariposa en el grafeno, el material maravilloso bidimensional recientemente descubierto, sobre largas secuencias de imágenes. Los resultados se publican en la prestigiosa revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los defectos de escala atómica siempre están presentes en los materiales. En el caso de los materiales convencionales, están ocultos dentro de una gran cantidad de átomos perfectamente dispuestos, excepto en la superficie. Sin embargo, la situación es diferente en el caso de materiales de baja dimensión como el grafeno.

El grafeno es una disposición en forma de panal de átomos de carbono con un solo átomo de carbono de espesor. Desde su descubrimiento en 2004, Se han medido varias propiedades notables de este material. Por ejemplo, es más fuerte que el diamante y conduce la electricidad mejor que el cobre, pero, no obstante, es transparente y notablemente flexible. Debido a que todos los átomos del grafeno están en la superficie, los átomos individuales y cualquier defecto en la estructura son directamente visibles en un microscopio electrónico de alta resolución, pero al mismo tiempo interactúan fácilmente con el medio ambiente.

El defecto en el que se concentraron los investigadores en el estudio reciente en Viena es una doble vacante que se forma cuando faltan dos átomos en el cristal. En la forma más estable de este defecto, los hexágonos de la red de grafeno se transforman en una disposición de cuatro pentágonos y cuatro heptágonos (anillos de carbono de cinco y siete miembros, respectivamente) que parece una mariposa de escala atómica. El estudio se realizó con el microscopio Nion UltraSTEM 100, que se instaló en Viena el año pasado. La combinación de vacío ultra alto y voltaje de aceleración bajo de este dispositivo fueron componentes clave para el éxito del estudio. En experimentos anteriores, los defectos siempre han evolucionado rápidamente hacia estructuras más complejas o se han convertido nuevamente en grafeno cristalino, impidiendo así la formación continua de imágenes de su difusión durante largos períodos de tiempo. Ahora, los defectos se mantuvieron estables durante más tiempo que permitió un análisis estadístico de su movimiento.

Los investigadores utilizaron el haz de electrones del microscopio para transformar el defecto entre diferentes arreglos, lo que resultó en una migración de la estructura de una imagen a la siguiente. "Fue notable ver por primera vez cómo un defecto se transforma y migra en el cristal durante varios minutos mientras lo observamos", dice Jani Kotakoski, el autor principal del estudio. Un análisis cuidadoso de la trayectoria del defecto reveló que el defecto realizaba un recorrido aleatorio a través del cristal. "Nuestro estudio abre una nueva ruta para el estudio directo de la migración y difusión de defectos en materiales de baja dimensión, lo que también puede conducir a nuevos conocimientos sobre la dinámica de defectos en sólidos en general ", concluye.