人們對石墨烯及其近親的許多性質仍然知之甚少——原因很簡單，它們由原子組成，很難觀察到。阿姆斯特丹大學和紐約大學的一組研究人員現在發現了一種解決這個問題的驚人方法。

由超薄單層原子晶體構成的二維材料近年來引起了廣泛的關注。這種當之無愧的關注主要是由于它們不同尋常的特性，與它們的三維“散裝”對應物非常不同。石墨烯，最著名的代表，以及許多其他二維材料，現在都在實驗室中深入研究。也許令人驚訝的是，對這些材料的特殊性能至關重要的是缺陷，即晶體結構不完美的位置。在那里，原子層的有序排列被打亂，原子的配位發生局部變化。

可視化原子

盡管事實證明，缺陷對材料的性能至關重要，而且它們幾乎總是存在或故意添加，但對于它們是如何形成的以及它們是如何隨時間演變的，我們所知甚少。原因很簡單：原子太小，移動太快，無法直接跟隨它們。

為了使類石墨烯材料的缺陷可觀察到，來自阿姆斯特丹大學物理研究所和紐約大學的研究人員團隊找到了一種建立微米級原子石墨烯模型的方法。為了實現這一目標，他們使用了所謂的“斑片狀顆粒”。這些粒子 ——大到足以在顯微鏡中容易看到，但又小到足以再現實際原子的許多特性——與石墨烯中的原子具有相同的配位相互作用，并形成相同的結構。研究人員建立了一個模型系統，利用它來深入了解缺陷及其形成和隨時間的演變。他們的研究結果于近日發表在Nature Communications上。

構建石墨烯

石墨烯由碳原子組成，每個碳原子有三個鄰居，排列成眾所周知的“蜂巢”結構。正是這種特殊的結構賦予了石墨烯獨特的機械和電子性能。為了在他們的模型中實現相同的結構，研究人員使用了由聚苯乙烯制成的微小顆粒，并用3-(三甲氧基硅基)丙基或簡稱TPM的更小的材料貼片裝飾。TPM貼片的結構模仿了石墨烯晶格中碳原子的配位。然后，研究人員使這些貼片具有吸引力，這樣粒子就可以相互形成鍵，再次類似于石墨烯中的碳原子。

在單獨放置幾個小時后，在顯微鏡下觀察這些“模擬碳”粒子，發現它們確實排列成蜂窩狀晶格。研究人員隨后更詳細地研究了模型石墨烯晶格中的缺陷。他們還觀察到，在這方面，模型是有效的：它顯示了原子石墨烯中也已知的特征缺陷圖案。與真正的石墨烯相反，該模型的直接觀察和長時間的形成使得物理學家可以從這些缺陷的形成開始，一直到融入晶格。

意想不到的結果

對石墨烯類材料生長的新看法立即導致了對這些二維結構的新認識。出乎意料的是，研究人員發現最常見的缺陷類型已經在生長的初始階段形成，那時晶格尚未建立。他們還觀察到晶格失配是如何被另一個缺陷“修復”的，導致一個穩定的缺陷配置，該缺陷配置要么保持，要么非常緩慢地進一步愈合到更完美的晶格。

因此，該模型系統不僅可以在更大范圍內重建石墨烯晶格，用于各種應用，而且通過直接觀測還可以深入了解這類材料的原子動力學。由于缺陷是所有原子薄材料的核心屬性，這些在模型系統中的直接觀察有助于進一步設計原子對應物，例如在超輕材料和光學和電子設備中的應用。

編輯：黃飛