پژوهشگران دانشگاه چیبا ژاپن موفق شدند منشأ بسیاری از ناهنجاری‌ها و عیوب ساختاری در مواد کربنی پیشرفته را با دقت بی‌سابقه شناسایی کنند

کشف رمز از «جعبه سیاه» ناهنجاری‌ها و عیوب ساختاری در مواد کربنی پیشرفته مواد کربنی پیشرفته مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و الیاف کربنی، جزء جدایی‌ناپذیر سیستم‌های پیشرفته امروزی از جمله باتری‌ها، سلول‌های سوختی، عایق‌های حرارتی و سیستم‌های فیلتراسیون هستند. عملکرد این مواد به شدت وابسته به عیوب ساختاری آن‌هاست. با این حال، تفسیر دقیق این نقایص از طریق تکنیک‌های طیف‌سنجی رایج، دهه‌ها با فرضیات مبهم و متناقض همراه بوده است.  پژوهشگران دانشگاه چیبا (Chiba University) در ژاپن با انتشار مقاله‌ای در Journal of Materials Science، چارچوب نظری پیشین را دگرگون کردند. آن‌ها ۳۴ مدل بزرگ و پیچیده گرافنی را شبیه‌سازی کردند که حاوی انواع عیوب از جمله گروه‌های عاملی اکسیژن‌دار، حلقه‌های غیرشش‌ضلعی (پنتوگون‌ها، هپتاگون‌ها و اوکتاگون‌ها) و نقایص خالی (Vacancy defects) بودند. سپس با استفاده از تکنیک محاسباتی نظریه تابع چگالی (DFT) و تطابق آن با اندازه‌گیری‌های تجربی، اسرار طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) و طیف‌سنجی رامان را گشودند.  این تیم اثبات کرد که برخلاف فرضیات قدیمی، بسیاری از قله‌های (Peaks) مشاهده شده در داده‌های XPS ناشی از اتم‌های کربنی هستند که توسط حداقل یک حلقه هفت‌ضلعی، هشت‌ضلعی یا یک نقص بزرگ در ساختار کریستالی احاطه شده‌اند. همچنین، در طیف‌سنجی رامان مشخص شد که سیگنال‌های مبهم در ناحیه ۱۵۰۰ تا ۱۵۵۰ بر سانتی‌متر، متعلق به پیوندهای دوگانه کربن-کربن (C=C) در حلقه‌های شش‌ضلعی سالم هستند که تحت القای بار الکترونیکی از سوی نقایص مجاور یا اترهای حلقوی اکسیژن‌دار قرار گرفته‌اند.  ارائه یک نقشه راه دقیق برای تفسیر سیگنال‌های طیف‌سنجی، مهندسی عیوب در ساختارهای کربنی را از یک فرآیند حدس و خطا به یک دانش قطعی تبدیل کرده و امکان تولید کامپوزیت‌های کربنی با عملکرد بی‌سابقه را فراهم می‌سازد.