تتيح تقنية جديدة إمكانية التقاط مقاطع فيديو لذرات مفردة "تسبح" عند السطح البيني بين مادة صلبة وسائلة لأول مرة. يستخدم النهج أكوامًا من المواد ثنائية الأبعاد لاحتجاز السائل ، مما يجعله متوافقًا مع تقنيات التوصيف التي تتطلب عادةً ظروف فراغ. يمكن أن تمكن الباحثين من فهم أفضل لكيفية تصرف الذرات في هذه الواجهات ، والتي تلعب دورًا مهمًا في أجهزة مثل البطاريات والأنظمة التحفيزية وأغشية الفصل.
توجد عدة تقنيات لتصوير الذرات المفردة ، بما في ذلك الفحص المجهري النفقي (STM) والمجهر الإلكتروني للإرسال (TEM). ومع ذلك ، فإنها تنطوي على تعريض الذرات الموجودة على سطح العينة لبيئة عالية الفراغ ، والتي يمكن أن تغير بنية المادة. وفي الوقت نفسه ، فإن التقنيات التي لا تتطلب فراغًا تكون إما ذات دقة أقل أو تعمل فقط لفترات زمنية قصيرة ، مما يعني أن حركة الذرات لا يمكن التقاطها على الفيديو.
الباحثون بقيادة علماء المواد سارة هاي ل معهد الجرافين الوطني بجامعة مانشستر طورت (NGI) الآن طريقة جديدة تمكنها من تتبع حركة الذرات المفردة على سطح ما عندما يكون هذا السطح محاطًا بسائل. لقد أظهروا أن الذرات تتصرف بشكل مختلف تمامًا في ظل هذه الظروف عن سلوكها في الفراغ. يوضح هاي: "هذا أمر بالغ الأهمية ، لأننا نريد أن نفهم السلوك الذري للتفاعل الواقعي / الظروف البيئية التي ستختبرها المادة أثناء الاستخدام - على سبيل المثال ، في البطاريات والمكثف الفائق وأوعية تفاعل الغشاء."
عينة معلقة بين طبقتين رفيعتين من السائل
في تجاربهم ، وضع باحثو NGI عينتهم - في هذه الحالة ، صفائح رقيقة ذريًا من ثاني كبريتيد الموليبدينوم - بين طبقتين من نيتريد البورون (BN) في TEM. ثم استخدموا الطباعة الحجرية لحفر ثقوب في مناطق معينة من BN بحيث يمكن تعليق العينة في المناطق التي تتداخل فيها الثقوب. أخيرًا ، أضافوا طبقتين من الجرافين أعلى وأسفل BN واستخدموها لاحتجاز سائل في الثقوب. يقول هاي إن البنية الناتجة ، التي يتم فيها تعليق العينة بين طبقتين من السائل ، يبلغ سمكها 70 نانومتر فقط عالم الفيزياء.
بفضل ما يسمى بالخلية السائلة المزدوجة من الجرافين ، تمكن الباحثون من الحصول على مقاطع فيديو للذرات المفردة وهي "تسبح" وهي محاطة بسائل. من خلال تحليل كيفية تحرك الذرات في مقاطع الفيديو ومقارنة هذه الحركة بالنماذج النظرية التي طورها الزملاء في جامعة كامبريدج ، حصلوا على رؤى جديدة حول كيفية تأثير البيئة السائلة على السلوك الذري. على سبيل المثال ، وجدوا أن السائل يسرع حركة الذرات مع تغيير "مواقع الراحة" المفضلة لديهم فيما يتعلق بالمادة الصلبة الأساسية.
مربعات شطيرة الجرافين الجليد
يقول هاي: "يمكن أن تساعد التقنية الجديدة في تحسين فهمنا لسلوك الذرات في واجهات صلبة-سائلة". "يتم فحص مثل هذا السلوك البيني بشكل عام فقط بدقة أقل ، ولكنه يحدد عمر البطاريات ، ونشاط وطول عمر العديد من الأنظمة التحفيزية ، ووظائف أغشية الفصل بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى."
يقول الباحثون إنهم يدرسون الآن مجموعة واسعة من المواد وكيف يتغير سلوكهم في بيئات سائلة مختلفة. ويخلص هاي إلى أن "الهدف هنا هو تحسين توليف المواد المحسنة التي ستكون مطلوبة من أجل صافي انتقال الطاقة الصفري".
الدراسة مفصلة في الطبيعة.
