Het wondermateriaal grafeen heeft één van haar geheimen prijsgegeven. Het is Britse en Duitse onderzoekers gelukt om met een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) een gat te maken in grafeen van slechts enkele laagjes dik. Ze volgden dit proces live met dezelfde elektronenmicroscoop. Dat is bijzonder, mede omdat grafeen bekend staat als het sterkste materiaal ooit gemeten. Maar vooral omdat we nog nooit in zoveel detail naar grafeen konden kijken.

De TEM maakt plaatjes op de nanometerschaal. Dat is zo onvoorstelbaar klein dat losse atomen zichtbaar worden onder de microscoop. Neem dit plaatje van grafeen. De stof bestaat uit zes koolstofatomen dit samen een zeshoek vormen. Op dit hoog resolutie TEM plaatje van een laagje grafeen zie je talloze zeshoekjes zitten. De witte ‘bolletjes’ ertussenin is lege ruimte.

Nature Nanotechnology

Om op het nanometerniveau te kijken, maakt de TEM gebruik van een straal elektronen. Die straal elektronen gaat dwars door het materiaal onder de microscoop heen. Onderweg hebben de elektronen informatie opgepikt over het stofje. Die informatie wordt door een computer verwerkt tot een plaatje, zoals de afbeelding hierboven.

Maar die straal elektronen maakt niet alleen een plaatje. Tegelijkertijd rotzooien de elektronen ook met het stofje onder de microscoop. Tenminste, als de elektronen genoeg energie bevatten. Elektronen zijn elektrisch geladen deeltjes die door de ruimte vliegen. Meestal in een cirkeltje rond een atoom, maar ook rechtdoor als er geen geschikt atoom in de buurt is. Hoe sneller de elektronen gaan, hoe meer energie ze bevatten. En snelle, energierijke elektronen kunnen effect hebben op losse atomen.

In het Nature-artikel schrijven de onderzoekers dat een elektronenstraal met een energie van 80 kilo elektronvolt (keV) letterlijk gaten slaat in het grafeen. Grafeen bestaat uit één enkel laagje koolstofatomen. 80 keV elektronen kunnen de binding tussen twee koolstofatomen breken, met als resultaat een gat waar eerst een koolstofatoom zat. Omdat dezelfde 80 keV elektronen ook meteen een plaatje maken van het grafeen, zagen de onderzoekers het gat ‘live’ gedurende een paar minuten steeds groter groeien.

Een groeiend gat in grafeen. Plaatjes a-d zijn 30 seconden na elkaar genomen en tonen het ontstaan van het gat. Plaatjes e-h zijn 10 seconden na elkaar genomen en tonen een bestaand gat, waarvan de vorm steeds blijkt te veranderen onder de elektronenstraal.

Nature Nanotechnology

Het is nu mogelijk om grafeen te zien met een resolutie van kleiner dan een nanometer, de veranderingen te volgen in stapjes van slechts 80 milliseconden en het grafeen ook nog eens te bewerken. Allemaal met hetzelfde instrument. Volgens dr. Jakub Tworzydlo, onderzoeker bij het Leidse Lorentz instituut voor Theoretische Natuurkunde, is dit absoluut een doorbraak. “Dit is een droom. Het is nu mogelijk om een gat in een koolstofskelet te maken en daar bijvoorbeeld iets op of in te bouwen. Hier is men al heel lang naar op zoek.”

Zelf zien de onderzoekers toepassingen in het sleutelen aan nanomachientjes van grafeen. “De energie van de elektronenstraal kan in de toekomst complexe bewerkingen mogelijk maken. Denk aan het schoonmaken van nanomachientjes van grafeen, het sleutelen aan de grenzen tussen twee grafeenlaagjes of het beïnvloeden van elektronentransport over grafeen.” Nu is het wachten op de eerste wetenschappers die hiermee een werkend apparaat van grafeen weten te bouwen.

Zie ook:

• Grafeen is een raspaard dat getemd moet worden (Universiteit Leiden)
• Modemateriaal grafeen blijft verbazen (Noorderlicht)
• Koolstof Wonderland (Scientific American artikel over grafeen, Engels)