Une nouvelle technique permet pour la première fois de capturer des vidéos d’atomes uniques « nageant » à l’interface entre un solide et un liquide. L’approche utilise des empilements de matériaux bidimensionnels pour piéger le liquide, ce qui la rend compatible avec les techniques de caractérisation qui nécessitent généralement des conditions sous vide. Cela pourrait permettre aux chercheurs de mieux comprendre le comportement des atomes à ces interfaces, qui jouent un rôle crucial dans des dispositifs tels que les batteries, les systèmes catalytiques et les membranes de séparation.
Il existe plusieurs techniques pour imager des atomes uniques, notamment la microscopie à effet tunnel (STM) et la microscopie électronique à transmission (TEM). Cependant, ils impliquent d’exposer les atomes à la surface de l’échantillon à un environnement de vide poussé, ce qui peut modifier la structure du matériau. Les techniques qui ne nécessitent pas de vide, quant à elles, ont une résolution inférieure ou ne fonctionnent que pendant de courtes périodes, ce qui signifie que le mouvement des atomes ne peut pas être capturé sur vidéo.
Des chercheurs dirigés par des scientifiques des matériaux Sarah Haigh des Institut national du graphène de l'Université de Manchester (NGI) ont maintenant développé une nouvelle approche qui leur permet de suivre le mouvement d'atomes uniques sur une surface lorsque cette surface est entourée de liquide. Ils ont montré que les atomes se comportent dans ces circonstances très différemment que dans le vide. "C'est crucial", explique Haigh, "car nous voulons comprendre le comportement atomique pour des conditions de réaction/environnementales réalistes que le matériau connaîtra lors de son utilisation - par exemple, dans une batterie, un supercondensateur et des réacteurs à membrane."
Échantillon suspendu entre deux fines couches de liquide
Dans leurs expériences, les chercheurs du NGI ont pris leur échantillon en sandwich – dans ce cas, des feuilles de bisulfure de molybdène atomiquement minces – entre deux feuilles de nitrure de bore (BN) dans un MET. Ils ont ensuite utilisé la lithographie pour graver des trous dans des régions spécifiques du BN afin que l'échantillon puisse être suspendu dans les zones où les trous se chevauchaient. Enfin, ils ont ajouté deux couches de graphène au-dessus et au-dessous du BN et les ont utilisées pour piéger un liquide dans les trous. La structure résultante, dans laquelle l'échantillon est suspendu entre deux couches de liquide, n'a qu'une épaisseur de 70 nm, explique Haigh. Monde de la physique.
Grâce à cette cellule liquide dite double graphène, les chercheurs ont pu acquérir des vidéos d’atomes simples « nageant » entourés de liquide. En analysant ensuite le mouvement des atomes dans les vidéos et en comparant ce mouvement aux modèles théoriques développés par des collègues de l’Université de Cambridge, ils ont obtenu de nouvelles informations sur la façon dont un environnement liquide affecte le comportement atomique. Par exemple, ils ont découvert que le liquide accélère le mouvement des atomes tout en modifiant leurs « sites de repos » préférés par rapport au solide sous-jacent.
Un sandwich au graphène élimine la glace
"La nouvelle technique pourrait aider à améliorer notre compréhension du comportement des atomes aux interfaces solide-liquide", explique Haigh. "Un tel comportement interfacial n'est généralement sondé qu'à une résolution inférieure, mais il détermine la durée de vie des batteries, l'activité et la longévité de nombreux systèmes catalytiques, la fonctionnalité des membranes de séparation ainsi que de nombreuses autres applications."
Les chercheurs affirment qu’ils étudient désormais une gamme plus large de matériaux et la manière dont leur comportement change en fonction de différents environnements liquides. « L’objectif ici est d’optimiser la synthèse de matériaux améliorés qui seront nécessaires à la transition énergétique nette zéro », conclut Haigh.
L'étude est détaillée dans Nature.
