Вольфрамова голка успішно прибрала видимі на електронному мікроскопі забруднення молекулярного масштабу з поверхні аркуша графена. Таким чином фізики досягли максимально можливого очищення поверхні своєрідної наношваброю, однак, вивчивши процеси забруднення візуально очищених шарів, вони підтвердили наявність рухомих молекул, невидимих під електронним мікроскопом. Тим самим вони спростували можливість абсолютної чистоти почесного матеріалу на молекулярному масштабі. Стаття опублікована в журналі.
Контроль чистоти відіграє велику роль у будь-якому науковому експерименті та технологічному процесі. З'являючись на об'єкті, саме поняття чистоти повинно бути переглянуте, наприклад, у графені наявність навіть одного доданого атома веде до значних змін властивостей або навіть до руйнування, і разом з тим ускладнюється опис тонких шарів або отримання нових структур на поверхні. Забруднення чекають поверхню в кожен момент: при отриманні, обробці та зберіганні, але досі методів очищення, які здатні вибірково очищати поверхні з точністю до молекул, не існує. Існуючі методи очищення передбачають сполучення очищуваної поверхні будь-якої енергії, до якої речовини бувають чутливі. У минулому вчені вже пробували використовувати атомний силовий мікроскоп, але досягти чистоти графена на молекулярному рівні у них не вийшло.
Петер Швайцер (Peter Schweizer) зі своїми колегами використовував вольфрамову голку завтовшки 50-150 нанометрів як двосторонній маніпулятор для очищення поверхневих забруднень на аркуші графена. Після процесів механічного очищення вони досліджували механізм забруднення поверхні за рахунок поверхневої дифузії.
Вчені сконструювали два незалежні мікроманіпулятори із золотого дроту з вольфрамовими наконечниками для очищення поверхні з обох сторін. В якості основного забруднювача фізики припустили поліметилметакрилат, тому що він часто використовується в процесі перенесення почесних матеріалів. Для акуратної роботи вольфрамової голки вчені побудували криву напруги-деформації, згідно з якою граничне значення поперечної сили - 7,6 мікроньютонів, а щоб у такої швабри була можливість розштовхувати молекули забруднювача, їй буде потрібна сила в 6,7 мікроньютон, що добре узгоджується з міжшаровим зрушенням. Енергія адгезії частинок забруднювача на поверхні графена склала 0,36 джоуль на квадратний метр, що знову сходиться з експериментальними значеннями енергії відриву листа графена від графіту. Однак іноді площини графена рвалися через наявність дефектів у структурі - успішних спроб очистити поверхню графена виявилося більше 80 відсотків від усіх спроб очищення.
Фізики оцінювали чистоту поверхні методами Раманівської спектроскопії, просвічуючої мікроскопії високої роздільної здатності та спектроскопії втрат енергетичних електронів. За даними спектроскопії на поверхні тільки отриманого листа графена знаходиться кисень, кількість якого значно зменшується після очищення, що автори пов'язали з очищенням поверхні від поліметилметакрилату. Для перевірки придатності способу очищення для інших почесних матеріалів вони повторили процес для дисульфіду молібдену.
Процес повторного забруднення фізики проводили, як відразу так і постфактум. Для цього вони витягли очищену мембрану в умови навколишнього середовища на п'ять хвилин, а потім помістили назад в умови низького тиску електронного мікроскопа - цього часу вистачило, щоб шар графена повністю покрився шаром вуглеводнів з повітря. Давно відомо, що опромінення потоком електронів збільшує зростання кількості центрів забруднення за рахунок спотворення структури і вибивання молекул з шару графена. Вчені простежили за швидкістю утворення нових центрів залежно від швидкості сканування поверхні електронами. Чим швидше було сканування, тим більшу область встигав опромінювати пучок електронів, а значить і центрів забруднення вийшло більше.
Повторне забруднення відбувається через застивання рухомих органічних частинок. Ці частинки можуть з'явитися з двох джерел: поверхнева дифузія або газова адсорбція. Якби основним джерелом частинок була газова адсорбція, то збільшення швидкості забруднення ніяк не залежало б від швидкості сканування, тому що джерело однорідне уздовж всієї поверхні графена.
Вчені, виходячи зі співвідношення Ейнштейна, розрахували коефіцієнт поверхневої дифузії, який виявився рівний 4,88 ст.1 10-12 квадратних метрів на секунду, що показує порівняно меншу дифузію, ніж у бензолу - 1,5 10-9 і розгалужених алканів 1,3-3,4 10-9 квадратних метрів на секунду. Цей факт дозволив припустити фізикам, що на поверхні знаходяться більш великі і менш рухливі частинки. Наявність повторного забруднення в місці очищення при глибокому вакуумі вони використовували для обґрунтування неможливості абсолютної чистоти поверхні при підвищеному тиску, оскільки існує розбавлена плівка рухомих молекул з великою швидкістю, які не можна побачити в мікроскоп.
Чистота поверхні графена важлива для отримання нових шарів на його основі, тому для демонстрації контрольованого отримання другого нанокристалічного шару графена фізики нанесли на поверхню графена тетрафенілпорфірин міді в диметоксиетані. Таким чином вони змогли отримати і рухому п'ятикутну фігуру з графена з нанометровими розмірами, і суцільний мікрометровий шар графена за шість хвилин. Автори не впевнені, як детально протікала ця реакція, проте припустили радіоліз або вибивання атомів зі структури за допомогою опромінення потоком електронів. Цей процес схожий на графітизацію аморфного вуглецю на графеновій підкладці при використанні електронного опромінення або тепла.
Забруднення заважають у всіх сферах діяльності людини, і вчені активно з ними борються. Місяць тому флорентійські хіміки створили гідрогель, щоб очистити картини Джексона Поллока. Новий спосіб не залишає на полотнах надлишків води, шкідливої для картин. А про те, які бактерії проживають на МКС, і які організми люди принесуть з собою на інші планети можна прочитав у нашому матеріалі «Безквиткові пасажири». Вчені прийшли до висновку, що ніяка дезінфекція не здатна знищити мікробіом людини, а тому занос земних форм життя на інші планети відбудеться в будь-якому випадку.