Una nueva técnica hace posible capturar videos de átomos individuales "nadando" en la interfaz entre un sólido y un líquido por primera vez. El enfoque utiliza pilas de materiales bidimensionales para atrapar el líquido, lo que lo hace compatible con las técnicas de caracterización que generalmente requieren condiciones de vacío. Podría permitir a los investigadores comprender mejor cómo se comportan los átomos en estas interfaces, que desempeñan un papel crucial en dispositivos como baterías, sistemas catalíticos y membranas de separación.
Existen varias técnicas para obtener imágenes de átomos individuales, incluida la microscopía de túnel de barrido (STM) y la microscopía electrónica de transmisión (TEM). Sin embargo, implican exponer átomos en la superficie de la muestra a un entorno de alto vacío, lo que puede cambiar la estructura del material. Mientras tanto, las técnicas que no requieren vacío tienen una resolución más baja o solo funcionan durante períodos cortos de tiempo, lo que significa que el movimiento de los átomos no se puede capturar en video.
Investigadores dirigidos por científicos de materiales Sara Haigh de las Instituto Nacional de Grafeno de la Universidad de Manchester (NGI) han desarrollado ahora un nuevo enfoque que les permite rastrear el movimiento de átomos individuales en una superficie cuando esa superficie está rodeada de líquido. Demostraron que los átomos se comportan de manera muy diferente en estas circunstancias que en el vacío. "Esto es crucial", explica Haigh, "ya que queremos comprender el comportamiento atómico para las condiciones ambientales/de reacción realistas que experimentará el material en uso, por ejemplo, en una batería, un supercondensador y recipientes de reacción de membrana".
Muestra suspendida entre dos finas capas de líquido
En sus experimentos, los investigadores de NGI intercalaron su muestra, en este caso, láminas atómicamente delgadas de disulfuro de molibdeno, entre dos láminas de nitruro de boro (BN) en un TEM. Luego usaron litografía para grabar agujeros en regiones específicas del BN para que la muestra pudiera suspenderse en las áreas donde los agujeros se superponían. Finalmente, agregaron dos capas de grafeno por encima y por debajo del BN y las usaron para atrapar un líquido en los agujeros. La estructura resultante, en la que la muestra está suspendida entre dos capas de líquido, tiene solo 70 nm de espesor, dice Haigh. Mundo de la física.
Gracias a esta llamada celda líquida de grafeno doble, los investigadores pudieron adquirir videos de los átomos individuales "nadando" mientras estaban rodeados de líquido. Luego, analizando cómo se movían los átomos en los videos y comparando este movimiento con los modelos teóricos desarrollados por colegas de la Universidad de Cambridge, obtuvieron nuevos conocimientos sobre cómo un entorno líquido afecta el comportamiento atómico. Por ejemplo, encontraron que el líquido acelera el movimiento de los átomos al mismo tiempo que cambia sus “lugares de descanso” preferidos con respecto al sólido subyacente.
El sándwich de grafeno elimina el hielo
“La nueva técnica podría ayudar a mejorar nuestra comprensión del comportamiento de los átomos en las interfaces sólido-líquido”, dice Haigh. "Tal comportamiento interfacial generalmente solo se prueba a una resolución más baja, pero determina la vida útil de las baterías, la actividad y la longevidad de muchos sistemas catalíticos, la funcionalidad de las membranas de separación y muchas otras aplicaciones".
Los investigadores dicen que ahora están estudiando una gama más amplia de materiales y cómo cambia su comportamiento para diferentes entornos líquidos. “El objetivo aquí es optimizar la síntesis de materiales mejorados que serán necesarios para la transición de energía neta cero”, concluye Haigh.
El estudio se detalla en Naturaleza.
