Kako otkriti što se događa unutar materijala koji je tanak svega jedan atom — i to bez korištenja instrumenata s atomskom rezolucijom?
Upravo je taj izazov pokušao riješiti tim znanstvenika s Instituta za fiziku u Zagrebu. I u iznenađujućem preokretu — uspjeli su. Koristeći napredne metode temeljene na mikroskopiji atomske sile (AFM), tehnici koja se inače ne smatra dovoljno osjetljivom za takve zadatke.
Njihovo istraživanje, upravo objavljeno u časopisu The Journal of Physical Chemistry Letters, pokazuje kako se AFM metode mogu koristiti za vizualizaciju interkalacije — procesa umetanja atoma između slojeva — u ultratankim materijalima poput grafena i disulfida molibdena (MoS₂). Ovo je važan iskorak za razumijevanje kako prilagoditi svojstva 2D materijala za primjene koje uključuju fleksibilnu elektroniku, senzore i kvantne tehnologije.
“Pokazali smo da za detekciju pojava na atomskoj razini nisu nužne tehnike s atomskom rezolucijom,” izjavila je dr. sc. Iva Šrut Rakić, voditeljica projekta. “Uz pravilan pristup, čak i alati poput AFM-a mogu točno pokazati gdje i kako se materijal mijenja.”
Interkalacija je moćan alat za podešavanje elektronskih, optičkih i mehaničkih svojstava materijala. No sve do sada, njezina detekcija oslanjala se na složene i skupe tehnike poput skenirajuće tunelirajuće mikroskopije ili fotoemisije, koje su ograničene u prostornom opsegu i primjenjivosti.
Tim je koristio AFM u više naprednih načina rada — uključujući Kelvinovu mikroskopiju silom i fotoinduciranu mikroskopiju silom — kako bi izmjerio promjene u površinskom potencijalu, krutosti, adheziji pa čak i optičkom odzivu. Na taj su način mogli identificirati područja u kojima su atomi sumpora ulazili ispod slojeva MoS₂ i grafena. Te su suptilne promjene, nevidljive golim okom i teško uočljive klasičnom AFM topografijom, sada jasno mapirane. Još važnije — sve to je izvedeno na uzorcima izloženima zraku, bez potrebe za ultra-visokim vakuumom.
“To našu metodu čini daleko dostupnijom i fleksibilnijom,” kaže Karmen Kapustić, jedna od glavnih autorica rada. “Može se primijeniti na stvarne materijale, a ne samo na savršene laboratorijske uzorke.”
Kako potražnja za novom generacijom nanomaterijala postaje sve veća — materijalima koji su tanji, lakši i energetski učinkovitiji — sposobnost kontrole njihovog ponašanja na atomskoj razini postaje ključna. Interkalacija je jedan od najperspektivnijih načina za to — ali samo ako ju možemo pouzdano detektirati i razumjeti.
Ovo istraživanje pokazuje da za uvid u atomske promjene nisu nužni specijalizirani i skupi instrumenti. Uz pažljiva mjerenja i pametnu analizu, čak i šire primjenjive tehnike poput AFM-a mogu razotkriti skrivene procese u 2D materijalima.
“Donosimo uvide s atomske razine u stvarni svijet,” dodaje Cosme G. Ayani, koautor. “U tome je prava uzbudljivost ovog rada.”
Istraživanje je provedeno u sklopu projekta Sustav za rast i naprezanje materijala u vakuumskim uvjetima (STRAIN – mat), financiranog sredstvima Europske unije – NextGenerationEU putem Nacionalnog plana oporavka i otpornosti 2021.–2026. (NPOO), te uz podršku Hrvatske zaklade za znanost (HRZZ) i suradnika iz Njemačke i Austrije.
Cijeli rad dostupan je na poveznici:doi.org/10.1021/acs.jpclett.5c00322
Zanima vas više ili želite surađivati?
Kontakt: dr. sc. Iva Šrut Rakić