20世纪40年代，科学家首次解释了材料如何通过一种称为位错的原子级线缺陷进行塑性变形。这些缺陷可以理解为微小的地毯折叠在一起，它们可以在不花费大量能量的情况下将材料的一部分相对于另一部分移动。
很多技术应用都基于位错的这一基本运动过程，例如锻造，同时我们在日常生活中也会充分利用这种位错的能力：例如在汽车的碰撞区域，错位通过将能量转化为塑性变形来保护生命。FAU的研究人员目前已经找到了一种直接在原子尺度上操纵单个位错的方法——这是材料科学家梦寐以求的壮举。
使用先进的原位电子显微镜，Erdmann Spiecker教授的研究小组开辟了探索可塑性基本原理的新方法，并在科学期刊Science Advances中报道了他们的发现。原文题目为：“In situ Manipulation and Switching of Dislocations in Bilayer Graphene”。
材料的可塑性主要由称为位错的原子级线缺陷决定。正如Erlangen的研究人员所发现的那样，这些位错现在可以通过纳米尖端直接控制（左侧是示意图，中间是实际图像）。操作在电子显微镜内进行，在使用超灵敏机器人臂进行操作的时候能够同步成像缺陷（示意图见右图）。
缺陷包含在最薄的界面
2013年，FAU的一个跨学科研究小组发现了双层石墨烯中存在位错——这是一项开创性的研究成果，它发表在著名的期刊“Nature”杂志上。线缺陷包含在两个扁平的原子级薄碳片之间——这可是最薄的界面了。
Spiecker教授解释说：“当我们在石墨烯中发现位错时，我们就知道它们的作用不仅限于特定材料中，它们还可以作为一般研究可塑性的理想模型系统”。
为了继续这项研究，团队的两个博士成员知道仅仅看到缺陷是不够的，他们需要找到一种与缺陷协同作用的方式。
纳米尺度的工作台
此时的研究需要一个强大的显微镜来观察位错。Erlangen的研究人员是电子显微镜领域的专家，他们一直在思考如何扩展这项技术。
Peter Schweizer说：“在过去三年中，我们已经不断地扩展了显微镜的功能，使其像纳米尺度的工作台一样运行，我们现在不仅可以看到纳米结构，还可以与它们相互作用，例如通过推动它们，施加热量或电流。”
该仪器的核心是小型机器人手臂，可以以纳米级的精度移动。这些手臂可以配备非常精细的针，可以移动到石墨烯的表面上，但是需要特殊的输入装置来进行高精度控制。
触手可及的可塑性
Christian Dolle笑着说：“学生经常会问我们游戏手柄的用途，当然，它们纯粹用于科学目的。在进行实验的显微镜下，有许多科学仪器，包括两个视频游戏控制器。”Christian解释说：“你不能用键盘操纵一个小机器人手臂，你需要更直观的东西，虽然需要一些时间来不断改进游戏手柄的操作，但随后它甚至可以控制原子级线缺陷。”
防撕裂材料
最初让研究人员惊讶的一件事是石墨烯对机械应力的抵抗力。
Peter Schweizer.说“考虑到它只是两层碳原子，于是我们用用一根非常尖锐的针进行操作。”
对于大多数材料承受不了这么大的力，但石墨烯可以承受极端应力。这使得研究人员能够用精细的钨尖接触材料表面并拖动周围的线缺陷。
“当我们第一次尝试的时候，我们不相信会成功，但后来我们对不断地突破和各种可能性感到惊讶无比。”使用这种技术，研究人员可以确认已经形成的缺陷相互作用的理论，并可以发现新的理论。“如果不直接控制位错，就不可能找到所有的这些相互作用！”
