Wiązania w strukturach metalicznych są nieukierunkowane, co w połączeniu z doskonałą plastycznością jaką posiadają metale może umożliwiać w nanoskali powstawanie wolnostojących, dwuwymiarowych membran zawierających pojedyncze atomy. Ten właśnie fakt został przedstawiony przez międzynarodową grupę naukowców z Niemiec (Instytut Leibniza Fizyki Ciała Stałego w Dreźnie, Uniwersytet Techniczny w Dreźnie), Polski (Centrum Materiałów Polimerowych i Węglowych Polskiej Akademii Nauk w Zabrzu) i Korei Południowej (Centrum Fizyki Zintegrowanych Struktur i Instytut Nauk Podstawowych na Uniwersytecie Sungkyunkwan w Suwon). Do tego celu wykorzystano atomy żelaza i pory w pojedynczych warstwach grafenu. Jak się spodziewano powstałe dwuwymiarowe, metaliczne membrany o grubości jednego atomu posiadają unikatowe właściwości.

Otrzymanie metalicznej membrany
W celu otrzymania jednoatomowej, metalicznej membrany wykorzystano poruszanie się atomów żelaza na powierzchni grafenu, podczas naświetlania przez wiązkę elektronów wewnątrz transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM). W momencie, w którym wolne atomy Fe napotykały pory znajdujące się w strukturze grafenowej, wypełniały je tworząc charakterystyczne membrany. Zauważono, że atomy żelaza, które przeniosły się w strukturę porów, tworzą krystaliczną formę żelaza o kwadratowej sieci krystalicznej.

Zmierzona odległość pomiędzy atomami (stała sieciowa) wynosiła 2,65±0,05Å, co jest znacząco większą wartością niż w przypadku struktury żelaza regularnej ściennie centrowanej (fcc) czy regularnej przestrzennie centrowanej (bcc).

Fakt zaobserwowania większej odległości pomiędzy atomami jest bardzo zaskakujący, ponieważ teoretycznie stała sieciowa powinna maleć wraz z mniejszą liczbą koordynacyjną. Jednakże w tym wypadku zwiększona stała sieciowa spowodowana była naprężeniami, jakie powstały na granicy krawędzi grafenowych a atomami wbudowanego żelaza. Zaobserwowano również, że im bliżej środka membrany z żelaza tym odległość między atomami się zmniejszała, co również potwierdza obserwacje związane z naprężeniami pomiędzy węglem a żelazem.

Dodatkowo pomocnicze badania teoretyczne wykazały zmiany w strukturze pasmowej dwuwymiarowych mebran z żelaza w porównaniu do żelaza trójwymiarowego. Fakt ten związany jest z tym, że w przypadku żelaza dwuwymiarowego niektóre elektrony orbitali układają się względem płaszczyzny, a niektóre poza nią (efekt nieobecny w przypadku żelaza trójwymiarowego).

Źródło: CMPW PAN