Nový článek popisuje tzv. grafenové nanobubliny a studuje je pomocí teoretických výpočtů.
Grafen je velmi zajímavý uhlíkový materiál tvořený monovrstvou grafitu. Pokud mezi vrstvu grafenu a substrát uzavřeme plyn, získáme právě grafenové nanobubliny.
Grafen – patří do skupiny 2D materiálů, tzn. je (zjednodušeně řečeno) tvořen vrstvou o tloušťce jednoho atomu. Vrstva je tvořena sp2 uhlíky uspořádanými do propojených šestičlenných kruhů. Díky aromatickému charakteru je i velmi dobrým vodičem elektřiny a tepla.
Článek pomocí molekulárně-dynamických simulací ukazuje, že grafenové nanobubliny obsahující atomy vzácných plynů (He, Ne, Ar, Kr a Xe) jsou multistabilní systémy, mohou tedy existovat ve více stabilních stavech lišících se počtem vrstev atomů uvnitř bubliny. Zachycené atomy vytvářejí soustředné kruhové vrstvy uspořádané do stupňovité pyramidy, kterou překrývá lokálně deformovaná grafenová membrána. Grafen současně působí na uzavřené atomy tlakem přibližně 1 GPa (jde o desetitisíci násobek atmosférického tlaku), vznikající slabými mezimolekulovými silami (van der Waalsovými interakcemi) mezi grafenem a podložkou. Studie ukázala, že pro daný počet atomů existuje vždy jeden základní stav (ground state), který je termodynamicky nejstabilnější, zatímco ostatní metastabilní konfigurace při zvýšení teploty přecházejí právě do tohoto stavu. Pro bublinu s 4000 atomy argonu je základním stavem čtyřvrstevná konfigurace. Významným výsledkem je zpochybnění obecně přijímaného univerzálního poměru výšky a poloměru nanobubliny (H/R ≈ 0,2), protože kvůli existenci více stabilních stavů se tento poměr může měnit v rozmezí přibližně 0 až 0,28; hodnota kolem 0,2 platí pouze pro základní stavy. Studie dále ukazuje, že vnější hydrostatický tlak multistabilitu neruší, ale zvyšuje stabilitu jednotlivých konfigurací a může vyvolat krystalizaci uzavřeného materiálu, což vede ke změně tvaru bubliny.
Výsledky rozšiřují současné poznatky o mechanice a termodynamice grafenových nanobublin a mohou být důležité pro návrh van der Waalsových heterostruktur, vysokotlakých nanoobjemů a systémů pro ukládání či manipulaci s atomy a molekulami na nanometrové škále.
Proč je to důležité? Grafenové nanobubliny tak představují miniaturní vysokotlaké laboratoře, ve kterých lze zkoumat chování atomů a molekul v extrémních podmínkách.