Egy új technika lehetővé teszi a szilárd és folyékony halmazállapotú határfelületen „úszó” egyes atomok első ízben történő rögzítését. A megközelítés kétdimenziós anyagok halmát használja a folyadék felfogására, így kompatibilis a jellemzési technikákkal, amelyek általában vákuumkörülményeket igényelnek. Lehetővé teheti a kutatók számára, hogy jobban megértsék, hogyan viselkednek az atomok ezeken az interfészeken, amelyek döntő szerepet játszanak az olyan eszközökben, mint az akkumulátorok, a katalitikus rendszerek és az elválasztó membránok.
Számos technika létezik az egyes atomok képalkotására, beleértve a pásztázó alagútmikroszkópiát (STM) és a transzmissziós elektronmikroszkópiát (TEM). Ezek azonban magukban foglalják a minta felületén lévő atomokat nagyvákuumú környezetnek kitéve, ami megváltoztathatja az anyag szerkezetét. A vákuumot nem igénylő technikák viszont vagy kisebb felbontásúak, vagy csak rövid ideig működnek, vagyis az atomok mozgását nem lehet videóra rögzíteni.
Anyagtudósok által vezetett kutatók Sarah Haig az A Manchesteri Egyetem Nemzeti Grafén Intézete (NGI) egy új megközelítést fejlesztettek ki, amely lehetővé teszi számukra, hogy nyomon kövessék az egyes atomok mozgását egy felületen, amikor a felületet folyadék veszi körül. Megmutatták, hogy az atomok nagyon másképpen viselkednek ilyen körülmények között, mint vákuumban. „Ez döntő fontosságú” – magyarázza Haigh, „mivel meg akarjuk érteni az atomi viselkedést olyan reális reakció/környezeti feltételek mellett, amelyeket az anyag a használat során tapasztalni fog – például akkumulátorban, szuperkondenzátorban és membrán reakcióedényben.”
A mintát két vékony folyadékréteg közé kell felfüggeszteni
Kísérleteik során az NGI kutatói mintájukat – jelen esetben atomvékony molibdén-diszulfid lemezeket – két bór-nitrid (BN) lap közé helyezték egy TEM-ben. Ezután litográfiával lyukakat marattak a BN meghatározott területein, hogy a mintát fel lehessen függeszteni azokon a területeken, ahol a lyukak átfedték egymást. Végül két grafénréteget adtak a BN fölé és alá, és ezekkel csapdába ejtették a folyadékot a lyukakba. A kapott szerkezet, amelyben a minta két folyadékréteg között van felfüggesztve, mindössze 70 nm vastag, mondja Haigh. Fizika Világa.
Ennek az úgynevezett kettős grafén folyékony cellának köszönhetően a kutatók videófelvételeket szerezhettek az egyes atomok „úszásáról” folyadékkal körülvéve. Azáltal, hogy elemezték az atomok mozgását a videókban, és összehasonlították ezt a mozgást a Cambridge-i Egyetem munkatársai által kidolgozott elméleti modellekkel, új betekintést nyertek abba, hogy a folyékony környezet hogyan befolyásolja az atomok viselkedését. Például azt találták, hogy a folyadék felgyorsítja az atomok mozgását, miközben megváltoztatja preferált „pihenési helyeiket” az alatta lévő szilárd anyaghoz képest.
A grafén szendvics négyzetesen távolítja el a jeget
"Az új technika segíthet jobban megérteni az atomok viselkedését a szilárd-folyadék határfelületeken" - mondja Haigh. "Az ilyen felületi viselkedést általában csak kisebb felbontáson vizsgálják, de ez meghatározza az akkumulátorok élettartamát, számos katalitikus rendszer aktivitását és élettartamát, az elválasztó membránok működését, valamint sok más alkalmazást."
A kutatók azt mondják, hogy jelenleg az anyagok szélesebb körét tanulmányozzák, és azt, hogy hogyan változik viselkedésük a különböző folyékony környezetekben. „A cél az, hogy optimalizáljuk a továbbfejlesztett anyagok szintézisét, amelyekre szükség lesz a nettó nulla energiájú átmenethez” – összegzi Haigh.
A tanulmány részletesen a Természet.
