Grafeenlaagje maakt het mogelijk kleine atomen te bekijken

Gebruik makend van een flinterdun laagje koolstof zijn Amerikaanse onderzoekers erin geslaagd om koolstof- en waterstofatomen met een elektronenmicroscoop in beeld te brengen. Tot nu toe was dit alleen met veel zwaardere en grotere atomen gelukt. Het experiment opent de mogelijkheid om met de microscoop complexe chemicaliën te identificeren en de individuele bouwstenen van de materie in actie te zien (Nature, 17 juli).

Atomen afbeelden is niet alleen lastig omdat ze zo klein zijn, maar vooral omdat ze meestal niet stil willen liggen. Door zware en logge xenonatomen sterk af te koelen op een metaaloppervlak en er dan met de scherpe naald van een Raster Tunnel Microscoop voorzichtig over heen te bewegen lukt het aardig—dat lieten onderzoekers van IBM al in de jaren negentig zien.

Jannik Meyer en zijn collega’s van de universiteit van California in Berkeley gebruikten echter een ‘gewone’ elektronenmicroscoop. Hun belangrijkste doorbraak was dat ze als ondergrond een stukje grafeen gebruikten, een tweedimensionaal honingraatpatroon van koolstofatomen, van precies één atoom dik. Dit is niet alleen het dunste materiaal ooit door de mens gemaakt—waardoor het een ideale, zo goed als onzichtbare achtergrond vormt—maar is tegelijkertijd toch zo sterk en stijf dat Meyer er minutenlang met de elektronenbundel van een elektronenmicroscoop overheen kon gaan zonder dat het ook maar iets veranderde of verschoof. Dat is essentieel, want het beeld dat lichte atomen als waterstof en koolstof in een elektronenmicroscoop opleveren is zo ‘lichtzwak’ dat je een heleboel afzonderlijke plaatjes van hetzelfde stukje bij elkaar op moet tellen om het scherp en duidelijk te krijgen.

Meyer en zijn collega’s zagen zo niet alleen stilstaande atomen en koolwaterstofmoleculen liggend op het grafeen uit de ruis opdoemen, maar brachten ook in beeld hoe afzonderlijke atomen gaten in het grafeen opvulden. Het begeleidend commentaar spreekt van een artikel dat onderzoekswegen opent die tot voor kort voor onmogelijk werden gehouden. Rob van den Berg