Una nuova tecnica consente di catturare per la prima volta video di singoli atomi che “nuotano” all’interfaccia tra un solido e un liquido. L'approccio utilizza pile di materiali bidimensionali per intrappolare il liquido, rendendolo compatibile con le tecniche di caratterizzazione che solitamente richiedono condizioni di vuoto. Potrebbe consentire ai ricercatori di comprendere meglio come si comportano gli atomi su queste interfacce, che svolgono un ruolo cruciale in dispositivi come batterie, sistemi catalitici e membrane di separazione.
Esistono diverse tecniche per visualizzare singoli atomi, tra cui la microscopia a effetto tunnel (STM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). Tuttavia, comportano l'esposizione degli atomi sulla superficie del campione a un ambiente ad alto vuoto, che può modificare la struttura del materiale. Le tecniche che non richiedono il vuoto, invece, hanno una risoluzione inferiore o funzionano solo per brevi periodi di tempo, il che significa che il movimento degli atomi non può essere catturato su video.
Ricercatori guidati da scienziati dei materiali Sarah Haigh della Istituto nazionale del grafene dell'Università di Manchester (NGI) hanno ora sviluppato un nuovo approccio che consente loro di tracciare il movimento di singoli atomi su una superficie quando tale superficie è circondata da un liquido. Hanno dimostrato che in queste circostanze gli atomi si comportano in modo molto diverso rispetto al vuoto. “Questo è fondamentale”, spiega Haigh, “poiché vogliamo comprendere il comportamento atomico per condizioni di reazione/ambientali realistiche che il materiale sperimenterà durante l’uso, ad esempio in una batteria, in un supercondensatore e in recipienti di reazione a membrana”.
Campione sospeso tra due sottili strati di liquido
Nei loro esperimenti, i ricercatori dell’NGI hanno inserito il loro campione – in questo caso, fogli atomicamente sottili di bisolfuro di molibdeno – tra due fogli di nitruro di boro (BN) in un TEM. Hanno quindi utilizzato la litografia per incidere dei fori in regioni specifiche della BN in modo che il campione potesse essere sospeso nelle aree in cui i fori si sovrapponevano. Infine, hanno aggiunto due strati di grafene sopra e sotto il BN e li hanno usati per intrappolare un liquido nei fori. La struttura risultante, in cui il campione è sospeso tra due strati di liquido, ha uno spessore di soli 70 nm, spiega Haigh Mondo della fisica.
Grazie a questa cosiddetta cella liquida a doppio grafene, i ricercatori sono stati in grado di acquisire video dei singoli atomi che “nuotano” circondati dal liquido. Analizzando poi il modo in cui gli atomi si muovevano nei video e confrontando questo movimento con i modelli teorici sviluppati dai colleghi dell'Università di Cambridge, hanno ottenuto nuove informazioni su come un ambiente liquido influenza il comportamento atomico. Ad esempio, hanno scoperto che il liquido accelera il movimento degli atomi cambiando anche i loro “siti di riposo” preferiti rispetto al solido sottostante.
Il sandwich al grafene allontana il ghiaccio
"La nuova tecnica potrebbe aiutare a migliorare la nostra comprensione del comportamento degli atomi nelle interfacce solido-liquido", afferma Haigh. “Tale comportamento interfacciale viene generalmente analizzato solo a una risoluzione inferiore, ma determina la durata delle batterie, l’attività e la longevità di molti sistemi catalitici, la funzionalità delle membrane di separazione e molte altre applicazioni”.
I ricercatori affermano che ora stanno studiando una gamma più ampia di materiali e come cambia il loro comportamento per diversi ambienti liquidi. “L’obiettivo qui è ottimizzare la sintesi di materiali migliorati che saranno necessari per la transizione a energia netta zero”, conclude Haigh.
Lo studio è dettagliato in Natura.
