Terminator partikler - "shapeshifting" liquid metal, der æder grafen
Siden Tim Booth fra DTU ved et tilfælde opdagede at nogle sølvpartikler, der absolut ikke skulle være tilstede i det kraftige elektronmikroskop, høvlede igennem grafenflager som små pacmen (må det jo hedde) har vi brugt en del kræfter på at undersøge fænomenet. Reaktionen der omdanner grafit til CO under tilstedeværelsen af ilt og også gerne noget varme, har været kendt og undersøgt siden 30erne. Suomo Iijima, der ofte (uretmæssigt) bliver krediteret som kulstof nanorørets opdager, var også den første der fortalte om de mærkelige spor i grafen der bliver skåret af nanopartikler.
HER KOMMER DEN FØRSTE VIDEO... den nye er lidt længere nede... :)
Vi er på ingen måde de første der har set "channelling" af grafit og grafen - at nanopartikler kan skære sig igennem grafen, men vi er de første der har set det ske med atomar opløsning, og har været I stand til at studere dynamikken (og det er ret sjovt). I første afgang filmede vi enlige partikler, der klippede sig vej langs med krystalretningerne - hvilket var en af grundene til at vi overhovedet undersøgte det. Vi er nemligt særdeles interesserede i at kunne klippe grafen i stykker med meget stor præcision, og gerne langs med krystallens retning (for så kan man nemlig lave sjov elektronik).
I første omgang undersøgte Tim og Filippo hvor hurtigt partiklerne bevæger sig afhængigt at temperaturen - og fandt ud af at partiklerne laver en slags start-stop bevægelser - rykvis - der er Poisson fordelt. Dette er et udtryk for underliggende stokastiske proces - at vi er nede på et niveau, hvor partiklen bevæger sig 1 atom frem hvergang den har fået omdannet en stribe kulstof atomer til CO. Det er spændende, men ikke så godt nyt at processen er domineret af tilfældigheder når man gerne vil lave deterministiske mønstre.
Vi lavede denne film hvor man kan se de spøjse partikler, og jeg forsøger at forklare hvad der foregår.
Men vi opdagede noget pudsigt, som vi havde en del problemer med at forstå.
Vi opdagede at partiklerne ALTID har den samme sneplovs-lignende forkant, der passer perfekt med gitterstrukturen af grafen. Når man lige tænker over det er det ret veldt. En 10 nm diameter sølv-nanopartikel har omkring 50000 atomer, og de rører ved måske blot 400 kulstofatomer, og alligevel er det det 2 dimensionale gitter af kulstof atomer styrer sølvpartiklens form.
Den (relativt) gigantiske samling atomer, denne brutale og skarpe "sølvkniv", bliver totalt domineret af de meget færre kulstofatomers foretrukne krystalretning. Det er altså en meget stærk binding mellem sølv og grafen. På filmen nedenfor kan man tydeligt se at sølvpartiklerne beholder formen - den skarpe forkant - også når partiklen drejer.
Nu har jeg så omsider fået lavet en youtube film om fænomenet....
Vores artikel som tog en krig at skrive, "Graphene Edges Dictate the Morphology of Nanoparticles During Catalytic Channelling" var tæt på (sådan da) at komme i Nature Nanotechnology, men så startede problemerne. Vi sendte den til et andet tidskrift og fik ret skeptiske og underlige reviews. Tilsidst sendte vi den til Journal of Physical Chemistry C - på et tidspunkt orker man ikke længere at argumentere med arrogante reviewere der virker som om det er deres holdning/tro mere end deres læsning af vores arbejde der gør udslaget. Efterfølgende kan vi se at artiklen ikke rigtig er "opdaget", men at ledende forskere glad og ubekymret fortsætter med at publicere deres forkerte antagelser om hvordan de tror partiklerne opfører sig.
Hallo: vi har det på film! (jeg ved det godt - Peter, spis en tudekiks)
Se selv efter - grafenlaget dominerer partiklernes form. Og hvorfor er det vigtigt? Fordi at dette drastisk reducerer sølvpartiklens mulighed for at antage en eller anden vilkårlig form - og det, tror vi, kan være grunden til at partiklernes skæren gennem grafenen kan være så retningsstabil og pålidelig, trods de stokastiske/tilfældige træk ved bevægelsen. Det er kun når partiklen skal vende eller kommer væk fra det stærke grafen gitter, at den blævrer og flyder ud. Ja, det ser næsten ud som om den skvulper.
Men vi kunne ikke regne ud hvorfor partiklen lader sig terrorisere af de ganske få kulstofatomer ved kontakt med grafenen.
I Oktober 2014 (jeg har først opdaget det nu) kom så en nyhed om en gruppe forskere fra MIT, der baseret på netop sølvpartikler finder ud af at når de bliver små - *rigtigt *små - bliver de bløde og flydende - og kan ændre form uden at miste krystalstrukturen. Det er kun de yderste lag der flyder, men dette er altså nok til at partiklen overordnet ser ud som om den totalt ændrer form. Den historie fik de i Nature (ikke misundelig nu, peter - det er sgu flot arbejde).
Det har været kendt meget længe at "melting point depression" - undertrykkelse af smeltepunkt - sker i meget små partikler, film og tråde. Men... dette er anderledes - for det er kun de yderste lag der er "smeltede". Vi kan nemlig, ligesom forskerne fra MIT, tydeligt se at partiklerne bliver ved med at være krystallinske. Altså en slags liquid metal, ligesom en vis, meget berømt science fiction film hvor en stor østrigsk bøfsandwich spilled hovedrollen, men den virkelige hovedrolle er en liquid metal bandit af en robot, der kan skifte form efter behov:
Kan dette virkelig forklare, hvad vi ser? Vi må lige se videoen igen.
Hvad synes I? Forfatterne siger at shapeshifting effekten er noget de kalder pseudoelastisk - at når stresset der deformerede partiklen er væk, vender den tilbage til den oprindelige form. "Stresset" kommer fra de interatomare kræfter mellem kulstofatomerne på zig-zag kanterne og de få sølvatomer der rører ved dem. I artiklen benævnes det som et potentielt meget alvorligt problem i nanoelektronik (såsom i den computer du bruger til at læse denne blog med), hvor det helst ikke skal være sådan at meget tynde ledninger bliver flydende uden at spørge om lov.
Sidst, men ikke mindst - det kan selvfølgelig tænkes at det intense bombardement af elektroner der skal til for at observere nanopartiklernes opførsel i sig selv kan være medvirkende - det er lidt den gamle historie med at det er svært at måle noget uden at påvirke det.
