Sebuah teknik baru memungkinkan untuk menangkap video atom tunggal yang “berenang” pada antarmuka antara benda padat dan cair untuk pertama kalinya. Pendekatan ini menggunakan tumpukan material dua dimensi untuk memerangkap cairan, sehingga kompatibel dengan teknik karakterisasi yang biasanya memerlukan kondisi vakum. Hal ini memungkinkan para peneliti untuk lebih memahami bagaimana atom berperilaku pada antarmuka ini, yang memainkan peran penting dalam perangkat seperti baterai, sistem katalitik, dan membran pemisahan.
Ada beberapa teknik untuk menggambarkan atom tunggal, termasuk pemindaian mikroskop terowongan (STM) dan mikroskop elektron transmisi (TEM). Namun, proses ini melibatkan pemaparan atom pada permukaan sampel ke lingkungan dengan vakum tinggi, yang dapat mengubah struktur material. Sementara itu, teknik yang tidak memerlukan ruang hampa memiliki resolusi lebih rendah atau hanya bekerja dalam periode waktu singkat, yang berarti gerakan atom tidak dapat ditangkap dalam video.
Peneliti dipimpin oleh ilmuwan material Sarah Haigh dari Institut Graphene Nasional Universitas Manchester (NGI) kini telah mengembangkan pendekatan baru yang memungkinkan mereka melacak pergerakan atom tunggal pada suatu permukaan ketika permukaan tersebut dikelilingi oleh cairan. Mereka menunjukkan bahwa atom berperilaku sangat berbeda dalam keadaan ini dibandingkan dalam ruang hampa. “Hal ini penting,” jelas Haigh, “karena kami ingin memahami perilaku atom untuk reaksi realistis/kondisi lingkungan yang akan dialami material saat digunakan – misalnya, dalam baterai, superkapasitor, dan bejana reaksi membran.”
Sampel tersuspensi di antara dua lapisan tipis cairan
Dalam percobaan mereka, para peneliti NGI mengapit sampel mereka – dalam hal ini, lembaran molibdenum disulfida yang sangat tipis – di antara dua lembar boron nitrida (BN) dalam TEM. Mereka kemudian menggunakan litografi untuk mengetsa lubang di wilayah tertentu di BN sehingga sampel dapat tersuspensi di area di mana lubang tersebut tumpang tindih. Terakhir, mereka menambahkan dua lapisan graphene di atas dan di bawah BN dan menggunakannya untuk memerangkap cairan di dalam lubang. Struktur yang dihasilkan, di mana sampel tersuspensi di antara dua lapisan cairan, tebalnya hanya 70 nm, kata Haigh Dunia Fisika.
Berkat apa yang disebut sel cair graphene ganda, para peneliti dapat memperoleh video atom tunggal yang “berenang” saat dikelilingi oleh cairan. Dengan menganalisis bagaimana atom bergerak dalam video dan membandingkan gerakan ini dengan model teoritis yang dikembangkan oleh rekan-rekannya di Universitas Cambridge, mereka memperoleh wawasan baru tentang bagaimana lingkungan cair mempengaruhi perilaku atom. Misalnya, mereka menemukan bahwa cairan mempercepat pergerakan atom dan juga mengubah “tempat istirahat” yang mereka sukai dibandingkan dengan padatan di bawahnya.
Sandwich graphene menghilangkan es
“Teknik baru ini dapat membantu meningkatkan pemahaman kita tentang perilaku atom pada antarmuka padat-cair,” kata Haigh. “Perilaku antarmuka seperti itu umumnya hanya diperiksa pada resolusi yang lebih rendah, namun menentukan masa pakai baterai, aktivitas dan umur panjang banyak sistem katalitik, fungsi membran pemisahan serta banyak aplikasi lainnya.”
Para peneliti mengatakan mereka sekarang mempelajari lebih banyak bahan dan bagaimana perilakunya berubah di lingkungan cair yang berbeda. “Tujuannya di sini adalah untuk mengoptimalkan sintesis bahan-bahan yang lebih baik yang akan dibutuhkan untuk transisi energi nol bersih,” Haigh menyimpulkan.
Studi ini dirinci dalam Alam.
