یک تکنیک جدید امکان فیلمبرداری از اتم های منفرد را در حال «شنا کردن» در سطح مشترک بین جامد و مایع برای اولین بار ممکن می کند. این رویکرد از پشته‌هایی از مواد دو بعدی برای به دام انداختن مایع استفاده می‌کند و آن را با تکنیک‌های مشخصه‌سازی که معمولاً به شرایط خلاء نیاز دارند، سازگار می‌کند. این می‌تواند محققان را قادر سازد تا درک بهتری از نحوه رفتار اتمها در این رابط‌ها، که نقش مهمی در دستگاه‌هایی مانند باتری‌ها، سیستم‌های کاتالیزوری و غشاهای جداسازی دارند، داشته باشند.
چندین تکنیک برای تصویر سازی اتم های تک وجود دارد ، از جمله میکروسکوپ تونل سازی اسکن (STM) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM). با این حال ، آنها شامل قرار دادن اتم ها بر روی سطح نمونه در یک محیط با آب و هوای بالا هستند که می تواند ساختار مواد را تغییر دهد. در همین حال، تکنیک‌هایی که نیازی به خلاء ندارند، یا با وضوح پایین‌تر هستند یا فقط برای دوره‌های زمانی کوتاه کار می‌کنند، به این معنی که حرکت اتمها را نمی‌توان در ویدیو ثبت کرد.
محققان به رهبری دانشمندان مواد سارا هی از موسسه ملی گرافن دانشگاه منچستر (NGI) اکنون رویکرد جدیدی ایجاد کرده است که آنها را قادر می‌سازد تا حرکت تک اتمها را در یک سطح زمانی که آن سطح توسط مایع احاطه شده است، ردیابی کنند. آنها نشان دادند كه اتمها تحت این شرایط نسبت به خلاء بسیار متفاوت رفتار می كنند. هیگ توضیح می‌دهد: «این بسیار مهم است، زیرا ما می‌خواهیم رفتار اتمی را برای واکنش واقعی/شرایط محیطی که این ماده در استفاده تجربه می‌کند - برای مثال در یک باتری، ابرخازن و مخازن واکنش غشایی، درک کنیم.»
نمونه بین دو لایه نازک مایع معلق است
در آزمایشات خود، محققان NGI نمونه خود را - در این مورد، ورقه های نازک اتمی دی سولفید مولیبدن - بین دو ورقه نیترید بور (BN) در یک TEM قرار دادند. آنها سپس از لیتوگرافی برای حکاکی سوراخ ها در مناطق خاصی از BN استفاده کردند تا نمونه بتواند در مناطقی که سوراخ ها روی هم قرار گرفته اند معلق شود. سرانجام ، آنها دو لایه گرافن را در بالا و زیر BN اضافه کردند و از اینها برای به دام انداختن یک مایع در سوراخ ها استفاده کردند. ساختار حاصل ، که در آن نمونه بین دو لایه مایع به حالت تعلیق در می آید ، فقط 70 نانومتر ضخامت دارد. دنیای فیزیک.
به لطف این سلول مایع دوگانه گرافن، محققان توانستند ویدئوهایی از شنای تک اتم ها در حالی که توسط مایع احاطه شده بودند، به دست آورند. سپس با تجزیه و تحلیل نحوه حرکت اتم ها در ویدئوها و مقایسه این حرکت با مدل های نظری توسعه یافته توسط همکاران در دانشگاه کمبریج، به بینش جدیدی در مورد اینکه چگونه یک محیط مایع بر رفتار اتمی تأثیر می گذارد، دست یافتند. برای مثال، آنها دریافتند که مایع حرکت اتمها را تسریع می‌کند و در عین حال «محل استراحت» ترجیحی آنها را نسبت به جامد زیرین تغییر می‌دهد.
ساندویچ گرافن یخ را مربع می کند
هی می گوید: "این تکنیک جدید می تواند به بهبود درک ما از رفتار اتمها در رابط های مایع جامد کمک کند." چنین رفتارهای سطحی عموماً فقط با وضوح پایین‌تر بررسی می‌شوند، اما طول عمر باتری‌ها، فعالیت و طول عمر بسیاری از سیستم‌های کاتالیزوری، عملکرد غشاهای جداکننده و همچنین بسیاری از کاربردهای دیگر را تعیین می‌کند.
محققان می گویند اکنون در حال مطالعه طیف وسیع تری از مواد و چگونگی تغییر رفتار آنها برای محیط های مختلف مایع هستند. هیگ نتیجه می گیرد: "هدف در اینجا بهینه سازی سنتز مواد بهبود یافته ای است که برای انتقال انرژی خالص صفر مورد نیاز است."
مطالعه به تفصیل در طبیعت.
