Falten in Graphen

Metalle lassen sich leicht verformen ohne gleich zu zerbrechen, obwohl sie eine kristalline Struktur besitzen wie sehr spröde Stoffe wie Salz oder Kandis­zucker. Erst in den 1940er Jahren haben Wissen­schaftler die Ursache für diese Plas­tizität gefunden: Verant­wortlich sind feine Kristall­baufehler auf atomarer Ebene, die Verset­zungen. Diese kann man sich wie winzige Teppich­falten vorstellen, die sich auch wie echte Teppich­falten verschieben lassen. Wenn ein Metall verformt wird, wandern Millionen und Aber­millionen solcher winzigen Falten durch den Werkstoff. Verset­zungen machen also im Grunde viele technische Prozesse wie Walzen oder Schmieden erst möglich, sie spielen aber auch im Alltag eine wichtige Rolle: So wandeln Verset­zungen in der Knautsch­zone von Autos Bewegungs­energie um, indem sie das Metall verformen.

Wissen­schaftler an der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg haben nun am Beispiel von Graphen eine Möglich­keit gefunden, einzelne solcher Verset­zungen direkt anzufassen und zu bewegen. Das Team um Erdmann Spiecker vom Lehrstuhl für Mikro- und Nanostruktur­forschung ebnet damit den Weg für neuartige Ent­wicklungen in diesem Bereich mit noch unge­ahnten Möglich­keiten, Einfluss auf die Eigen­schaften des Materials zu nehmen. Schon vor fünf Jahren hatte eine inter­disziplinäre Gruppe der Univer­sität die Verset­zungen in Bilagen-Graphen gefunden. „Als wir die Verset­zungen in Graphen entdeckten, wussten wir schon, dass wir ein ideales Modell­system für die Erforschung von Plasti­zität gefunden hatten“, erklärt Spiecker. Dem Team war klar, dass es dafür nicht mehr ausreicht, die winzigen Verset­zungen nur sichtbar zu machen. Vielmehr musste ein Weg gefunden werden, direkt mit ihnen zu inter­agieren.

Um Verset­zungen abbilden zu können, steht den Forschern ein viel­seitiges Mikroskop zur Verfügung, dass die Experten im Bereich der Elektronen­mikroskopie ständig weiter­entwickeln. „Während der letzten drei Jahre haben wir unser Mikroskop mit immer neuen Möglich­keiten ausge­stattet und sozusagen zu einer Werkbank auf der Nanoskala aufgerüstet“, sagt Doktorand Peter Schweizer, der die mikro­skopischen Analysen zusammen mit seinem Kollegen Christian Dolle durch­geführt hat. „Dadurch können wir Nano­strukturen nicht nur sehen, sondern mit ihnen gleich­zeitig direkt inter­agieren. Zum Beispiel haben wir die Möglich­keit, sie mechanisch zu verschieben, definiert zu erwärmen oder ein elek­trisches Potenzial anzulegen“. Herzstück des Geräts sind kleine Roboter­arme, die mit der Genauigkeit eines Millionstel Milli­meters posi­tioniert werden können. Bestückt man diese Arme mit feinen Nadeln, können diese auf die Proben­oberfläche abgesenkt werden.

Für die Kontrolle der Roboter­arme verwen­deten die Wissen­schaftler Gamepads, wie sie auch zur Steuerung von Computer­spielen eingesetzt werden. „So einen kleinen Roboter­arm kann man nicht einfach mit der Tastatur steuern, da braucht man etwas, das intui­tiver ist“, erklärt Dolle. „Es dauert eine Weile bis man es wirklich beherrscht, aber dann ist tat­sächlich das Mani­pulieren von einzelnen Verset­zungen möglich.“

Anfänglich waren die Forscher überrascht, wie resistent Graphen gegenüber mecha­nischer Belastung ist. „Wenn man darüber nachdenkt, sind es ja nur zwei Lagen von Kohlenstoff­atomen, auf die wir da eine scharfe Spitze drücken“, sagt Peter Schweizer. Die meisten Materia­lien würden das nicht aushalten, aber Graphen ist Weltrekord­halter in mecha­nischer Bestän­digkeit. Das ermöglichte es den Forschern, die Ober­fläche des Materials mit einer feinen Wolfram­spitze zu berühren und Verset­zungen hin- und herzu­schieben. Nur mithilfe dieser Technik konnten die Wissen­schaftler grundlegende Theorien von Verset­zungen bestä­tigen, aber auch ganz neue Erkennt­nisse darüber gewinnen, wie sich Verset­zungen gegenseitig beein­flussen und mit­einander reagieren.

FAU / JOL