Eine neue Technik ermöglicht es erstmals, Videos von einzelnen Atomen aufzunehmen, die an der Grenzfläche zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit „schwimmen“. Der Ansatz verwendet Stapel zweidimensionaler Materialien, um die Flüssigkeit einzufangen, wodurch er mit Charakterisierungstechniken kompatibel ist, die normalerweise Vakuumbedingungen erfordern. Dadurch könnten Forscher besser verstehen, wie sich Atome an diesen Grenzflächen verhalten, die in Geräten wie Batterien, katalytischen Systemen und Trennmembranen eine entscheidende Rolle spielen.
Es gibt verschiedene Techniken, um einzelne Atome abzubilden, darunter Rastertunnelmikroskopie (STM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Dabei werden jedoch Atome auf der Oberfläche der Probe einer Hochvakuumumgebung ausgesetzt, wodurch sich die Struktur des Materials verändern kann. Techniken, die kein Vakuum erfordern, haben hingegen entweder eine geringere Auflösung oder funktionieren nur für kurze Zeiträume, sodass die Bewegung der Atome nicht auf Video erfasst werden kann.
Forscher unter der Leitung von Materialwissenschaftlern Sarah Haigh dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. National Graphene Institute der Universität Manchester (NGI) haben nun einen neuen Ansatz entwickelt, der es ihnen ermöglicht, die Bewegung einzelner Atome auf einer Oberfläche zu verfolgen, wenn diese Oberfläche von Flüssigkeit umgeben ist. Sie zeigten, dass sich die Atome unter diesen Umständen ganz anders verhalten als im Vakuum. „Das ist entscheidend“, erklärt Haigh, „da wir das atomare Verhalten für realistische Reaktions-/Umgebungsbedingungen verstehen wollen, denen das Material im Einsatz ausgesetzt sein wird – zum Beispiel in einer Batterie, einem Superkondensator und Membranreaktionsgefäßen.“
Probe zwischen zwei dünnen Flüssigkeitsschichten schwebend
In ihren Experimenten platzierten die NGI-Forscher ihre Probe – in diesem Fall atomar dünne Molybdändisulfidschichten – zwischen zwei Schichten Bornitrid (BN) in einem TEM. Anschließend ätzten sie mithilfe der Lithographie Löcher in bestimmte Bereiche des BN, sodass die Probe in den Bereichen aufgehängt werden konnte, in denen sich die Löcher überlappten. Schließlich fügten sie zwei Graphenschichten über und unter dem BN hinzu und nutzten diese, um eine Flüssigkeit in den Löchern einzufangen. Die resultierende Struktur, in der die Probe zwischen zwei Flüssigkeitsschichten schwebt, sei nur 70 nm dick, erzählt Haigh Physik-Welt.
Dank dieser sogenannten Doppel-Graphen-Flüssigkeitszelle konnten die Forscher Videos von den einzelnen Atomen aufnehmen, die von Flüssigkeit umgeben „schwimmen“. Indem sie anschließend analysierten, wie sich die Atome in den Videos bewegten, und diese Bewegung mit theoretischen Modellen verglichen, die von Kollegen an der Universität Cambridge entwickelt wurden, gewannen sie neue Erkenntnisse darüber, wie eine flüssige Umgebung das atomare Verhalten beeinflusst. Sie fanden beispielsweise heraus, dass die Flüssigkeit die Bewegung der Atome beschleunigt und gleichzeitig ihre bevorzugten „Ruheplätze“ im Vergleich zum darunter liegenden Festkörper verändert.
Graphen-Sandwich quadriert Eis
„Die neue Technik könnte dazu beitragen, unser Verständnis des Verhaltens von Atomen an Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen zu verbessern“, sagt Haigh. „Ein solches Grenzflächenverhalten wird im Allgemeinen nur bei geringerer Auflösung untersucht, aber es bestimmt die Lebensdauer von Batterien, die Aktivität und Langlebigkeit vieler katalytischer Systeme, die Funktionalität von Trennmembranen sowie viele andere Anwendungen.“
Die Forscher sagen, dass sie nun ein breiteres Spektrum an Materialien untersuchen und wie sich ihr Verhalten in verschiedenen Flüssigkeitsumgebungen ändert. „Ziel ist es, die Synthese verbesserter Materialien zu optimieren, die für die Netto-Null-Energiewende benötigt werden“, schließt Haigh.
Die Studie ist ausführlich in Natur.
