En ny teknik gør det muligt for første gang at optage videoer af enkelte atomer, der "svømmer" ved grænsefladen mellem et fast stof og en væske. Metoden bruger stakke af todimensionelle materialer til at fange væsken, hvilket gør den kompatibel med karakteriseringsteknikker, der normalt kræver vakuumforhold. Det kunne gøre det muligt for forskere bedre at forstå, hvordan atomer opfører sig ved disse grænseflader, som spiller en afgørende rolle i enheder som batterier, katalytiske systemer og separationsmembraner.
Der findes adskillige teknikker til at afbilde enkelte atomer, herunder scanning tunneling microscopy (STM) og transmission elektronmikroskopi (TEM). Men de involverer at udsætte atomer på overfladen af prøven for et højvakuummiljø, hvilket kan ændre materialets struktur. Teknikker, der ikke kræver et vakuum, er i mellemtiden enten i lavere opløsning eller virker kun i korte perioder, hvilket betyder, at atomernes bevægelse ikke kan fanges på video.
Forskere ledet af materialeforskere Sarah Haigh af University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) har nu udviklet en ny tilgang, der gør dem i stand til at spore enkelte atomers bevægelse på en overflade, når denne overflade er omgivet af væske. De viste, at atomerne opfører sig meget anderledes under disse omstændigheder, end de gør i vakuum. "Dette er afgørende," forklarer Haigh, "da vi ønsker at forstå atomær adfærd for realistiske reaktions-/miljøforhold, som materialet vil opleve under brug - for eksempel i et batteri, superkondensator og membranreaktionsbeholdere."
Prøve suspenderet mellem to tynde lag væske
I deres eksperimenter lagde NGI-forskerne deres prøve - i dette tilfælde atomisk tynde plader af molybdændisulfid - mellem to plader bornitrid (BN) i en TEM. De brugte derefter litografi til at ætse huller i specifikke områder af BN, så prøven kunne suspenderes i de områder, hvor hullerne overlappede. Til sidst tilføjede de to grafenlag over og under BN og brugte disse til at fange en væske i hullerne. Den resulterende struktur, hvor prøven er suspenderet mellem to lag væske, er kun 70 nm tyk, fortæller Haigh Fysik verden.
Takket være denne såkaldte dobbelte grafen flydende celle, var forskerne i stand til at erhverve videoer af de enkelte atomer, der "svømmer", mens de var omgivet af væske. Ved derefter at analysere, hvordan atomerne bevægede sig i videoerne og sammenligne denne bevægelse med teoretiske modeller udviklet af kolleger ved University of Cambridge, fik de ny indsigt i, hvordan et flydende miljø påvirker atomær adfærd. For eksempel fandt de ud af, at væsken accelererer atomernes bevægelse, mens den også ændrer deres foretrukne "hvilesteder" i forhold til det underliggende faste stof.
Grafensandwich fjerner is
"Den nye teknik kan hjælpe med at forbedre vores forståelse af atomers adfærd ved faststof-væske grænseflader," siger Haigh. "Sådan grænsefladeadfærd undersøges generelt kun ved lavere opløsning, men det bestemmer batteriernes levetid, aktiviteten og levetiden af mange katalytiske systemer, funktionaliteten af separationsmembraner såvel som mange andre applikationer."
Forskerne siger, at de nu studerer en bredere vifte af materialer, og hvordan deres adfærd ændrer sig for forskellige flydende miljøer. "Målet her er at optimere syntesen af forbedrede materialer, der vil være nødvendige for netto-nulenergiomstillingen," slutter Haigh.
Undersøgelsen er detaljeret i Natur.
