טכניקה חדשה מאפשרת לצלם סרטונים של אטומים בודדים "שוחים" בממשק שבין מוצק לנוזל בפעם הראשונה. הגישה משתמשת בערימות של חומרים דו מימדיים כדי ללכוד את הנוזל, מה שהופך אותו לתואם לטכניקות אפיון הדורשות בדרך כלל תנאי ואקום. זה יכול לאפשר לחוקרים להבין טוב יותר כיצד אטומים מתנהגים בממשקים אלה, הממלאים תפקיד מכריע במכשירים כמו סוללות, מערכות קטליטיות וממברנות הפרדה.
קיימות מספר טכניקות לצילום אטומים בודדים, כולל מיקרוסקופיית מנהור סריקה (STM) ומיקרוסקופ אלקטרונים העברה (TEM). עם זאת, הם כרוכים בחשיפת אטומים על פני הדגימה לסביבה בעלת ואקום גבוה, שעלולה לשנות את מבנה החומר. טכניקות שאינן דורשות ואקום, בינתיים, הן ברזולוציה נמוכה יותר או פועלות רק לפרקי זמן קצרים, כלומר, לא ניתן ללכוד את תנועת האטומים בווידאו.
חוקרים בראשות מדעני חומרים שרה היי של מכון הגרפן הלאומי של אוניברסיטת מנצ'סטר (NGI) פיתחו כעת גישה חדשה המאפשרת להם לעקוב אחר התנועה של אטומים בודדים על משטח כאשר משטח זה מוקף בנוזל. הם הראו שהאטומים מתנהגים בצורה שונה מאוד בנסיבות האלה מאשר בוואקום. "זה חיוני", מסביר היי, "מכיוון שאנו רוצים להבין התנהגות אטומית עבור תנאים מציאותיים של תגובה/סביבה שהחומר יחווה בשימוש - למשל, בסוללה, בקבלי-על ובכלי תגובה של ממברנה".
דגימה תלויה בין שתי שכבות דקות של נוזל
בניסויים שלהם, חוקרי NGI הכניסו את הדגימה שלהם - במקרה זה, יריעות אטומיות של מוליבדן דיסולפיד - בין שתי יריעות של בורון ניטריד (BN) ב-TEM. לאחר מכן הם השתמשו בליתוגרפיה כדי לחרוט חורים באזורים ספציפיים של ה-BN כך שניתן יהיה לתלות את המדגם באזורים שבהם החורים חופפים. לבסוף, הם הוסיפו שתי שכבות גרפן מעל ומתחת ל-BN והשתמשו בהן כדי ללכוד נוזל בחורים. המבנה שנוצר, שבו הדגימה תלויה בין שתי שכבות של נוזל, הוא בעובי של 70 ננומטר בלבד, אומר היי. עולם הפיזיקה.
הודות לתא הנוזל הגרפין הכפול הזה, החוקרים הצליחו לרכוש סרטונים של האטומים הבודדים "שוחים" כשהם מוקפים בנוזל. לאחר מכן ניתחו את האופן שבו נעו האטומים בסרטונים והשוו את התנועה הזו למודלים תיאורטיים שפותחו על ידי עמיתים מאוניברסיטת קיימברידג', הם השיגו תובנות חדשות לגבי האופן שבו סביבה נוזלית משפיעה על התנהגות אטומית. לדוגמה, הם גילו שהנוזל מאיץ את תנועת האטומים תוך שהוא משנה את "אתרי המנוחה" המועדפים עליהם ביחס למוצק הבסיסי.
כריך גרפן מרחיק קרח
"הטכניקה החדשה יכולה לעזור לשפר את ההבנה שלנו לגבי התנהגות אטומים בממשקי מוצק-נוזל", אומר היי. "התנהגות ממשק כזו נבדקת בדרך כלל רק ברזולוציה נמוכה יותר, אבל היא קובעת את אורך החיים של הסוללות, את הפעילות ואריכות החיים של מערכות קטליטיות רבות, את הפונקציונליות של ממברנות הפרדה כמו גם יישומים רבים אחרים."
החוקרים אומרים שהם חוקרים כעת מגוון רחב יותר של חומרים וכיצד התנהגותם משתנה עבור סביבות נוזליות שונות. "המטרה כאן היא לייעל את הסינתזה של חומרים משופרים שידרשו למעבר נטו אפס אנרגיה", מסכם היי.
המחקר מפורט ב טבע.
