Uusi tekniikka mahdollistaa ensimmäistä kertaa videoiden kuvaamisen yksittäisistä atomeista, jotka "uivat" kiinteän aineen ja nesteen rajapinnassa. Lähestymistavassa käytetään kaksiulotteisten materiaalien pinoja nesteen vangitsemiseen, mikä tekee siitä yhteensopivan karakterisointitekniikoiden kanssa, jotka yleensä vaativat tyhjiöolosuhteita. Se voisi auttaa tutkijoita ymmärtämään paremmin, kuinka atomit käyttäytyvät näissä rajapinnoissa, joilla on ratkaiseva rooli laitteissa, kuten akuissa, katalyyttijärjestelmissä ja erotuskalvoissa.
Yksittäisten atomien kuvaamiseen on olemassa useita tekniikoita, mukaan lukien pyyhkäisytunnelimikroskooppi (STM) ja transmissioelektronimikroskooppi (TEM). Ne sisältävät kuitenkin näytteen pinnalla olevien atomien altistamisen korkean tyhjiön ympäristölle, mikä voi muuttaa materiaalin rakennetta. Tekniikat, jotka eivät vaadi tyhjiötä, ovat puolestaan joko pienempiresoluutioisia tai toimivat vain lyhyitä aikoja, jolloin atomien liikettä ei voida tallentaa videolle.
Materiaalitieteilijöiden johtamia tutkijoita Sarah Haig että Manchesterin yliopiston kansallinen grafeeniinstituutti (NGI) ovat nyt kehittäneet uuden lähestymistavan, jonka avulla ne voivat seurata yksittäisten atomien liikettä pinnalla, kun pintaa ympäröi neste. He osoittivat, että atomit käyttäytyvät hyvin eri tavalla näissä olosuhteissa kuin tyhjiössä. "Tämä on ratkaisevan tärkeää", Haigh selittää, "koska haluamme ymmärtää atomien käyttäytymistä realistisissa reaktio-/ympäristöolosuhteissa, joita materiaali kokee käytössä - esimerkiksi akussa, superkondensaattorissa ja kalvoreaktioastioissa."
Näyte suspendoituna kahden ohuen nestekerroksen väliin
Kokeissaan NGI-tutkijat asettivat näytteensä - tässä tapauksessa atomiohuita molybdeenidisulfidilevyjä - kahden boorinitridilevyn (BN) väliin TEM:ssä. Sitten he käyttivät litografiaa reikien etsaukseen BN:n tietyillä alueilla, jotta näyte voidaan ripustaa alueille, joissa reiät olivat päällekkäin. Lopuksi he lisäsivät kaksi grafeenikerrosta BN:n ylä- ja alapuolelle ja käyttivät niitä nesteen vangitsemiseen reikiin. Tuloksena oleva rakenne, jossa näyte on ripustettu kahden nestekerroksen väliin, on vain 70 nm paksu, Haigh kertoo. Fysiikan maailma.
Tämän niin kutsutun kaksoisgrafeeninestekennon ansiosta tutkijat pystyivät hankkimaan videoita yksittäisistä atomeista, jotka "uivat" nesteen ympäröimänä. Analysoimalla sitten, kuinka atomit liikkuivat videoissa ja vertaamalla tätä liikettä Cambridgen yliopiston kollegoiden kehittämiin teoreettisiin malleihin, he saivat tuoreita näkemyksiä siitä, kuinka nestemäinen ympäristö vaikuttaa atomien käyttäytymiseen. He esimerkiksi havaitsivat, että neste kiihdyttää atomien liikettä samalla, kun se muuttaa niiden suositeltuja "lepopaikkoja" suhteessa alla olevaan kiinteään aineeseen.
Grafeenivoileipä poistaa jäätä
"Uusi tekniikka voisi auttaa parantamaan ymmärrystämme atomien käyttäytymisestä kiinteän ja nesteen rajapinnoilla", Haigh sanoo. "Tällaista rajapintojen käyttäytymistä tutkitaan yleensä vain pienemmällä resoluutiolla, mutta se määrittää akkujen käyttöiän, monien katalyyttijärjestelmien toiminnan ja pitkäikäisyyden, erotuskalvojen toimivuuden sekä monet muut sovellukset."
Tutkijat sanovat nyt tutkivansa laajempaa materiaalivalikoimaa ja sitä, miten niiden käyttäytyminen muuttuu erilaisissa nestemäisissä ympäristöissä. "Tässä tavoitteena on optimoida parannettujen materiaalien synteesi, joita tarvitaan nettonollaenergian siirtymiseen", Haigh päättää.
Tutkimus on kuvattu tarkemmin kohdassa luonto.
