新しい技術により、固体と液体の間の界面で「泳ぐ」単一の原子のビデオを初めてキャプチャできるようになりました。 このアプローチでは、XNUMX 次元材料のスタックを使用して液体をトラップするため、通常は真空条件を必要とする特性評価手法と互換性があります。 これにより、研究者は、電池、触媒システム、分離膜などのデバイスで重要な役割を果たすこれらの界面で原子がどのように振る舞うかをよりよく理解できるようになります。
走査型トンネル顕微鏡 (STM) や透過型電子顕微鏡 (TEM) など、単一の原子を画像化するいくつかの手法が存在します。 ただし、サンプル表面の原子を高真空環境にさらす必要があるため、材料の構造が変化する可能性があります。 一方、真空を必要としない技術は解像度が低いか、短時間しか機能しないため、原子の動きをビデオでキャプチャすることはできません。
材料科学者が率いる研究者 サラ・ヘイ マンチェスター大学国立グラフェン研究所 (NGI) は、表面が液体に囲まれている場合に、表面上の単一原子の動きを追跡できるようにする新しいアプローチを開発しました。 彼らは、これらの状況下では、原子が真空中とは非常に異なる振る舞いをすることを示しました。 「これは非常に重要です」とヘイグは説明します。
液体の XNUMX つの薄い層の間に浮遊するサンプル
実験では、NGI の研究者はサンプル (この場合は二硫化モリブデンの原子的に薄いシート) を TEM 内の 70 枚の窒化ホウ素 (BN) シートの間に挟みました。 次に、リソグラフィーを使用して BN の特定の領域に穴をエッチングし、穴が重なる領域でサンプルを吊り下げることができるようにしました。 最後に、BN の上下に XNUMX つのグラフェン層を追加し、これらを使用して穴に液体を閉じ込めました。 サンプルが XNUMX 層の液体の間に浮遊している構造の厚さは、わずか XNUMX nm です。 物理学の世界.
このいわゆる二重グラフェン液体セルのおかげで、研究者は、液体に囲まれた状態で「泳いでいる」単一原子のビデオを取得することができました。 次に、ビデオ内で原子がどのように移動したかを分析し、この動きをケンブリッジ大学の同僚が開発した理論モデルと比較することで、液体環境が原子の挙動にどのように影響するかについての新たな洞察を得ました。 たとえば、液体が原子の動きを加速すると同時に、下にある固体に対して好ましい「静止位置」を変更することも発見しました。
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「新しい技術は、固液界面での原子の挙動の理解を深めるのに役立つ可能性があります」とヘイグは言います。 「このような界面の挙動は、通常、より低い解像度でのみ調査されますが、バッテリーの寿命、多くの触媒システムの活性と寿命、分離膜の機能、および他の多くのアプリケーションを決定します。」
研究者たちは、現在、より広い範囲の材料と、さまざまな液体環境でそれらの挙動がどのように変化するかを研究していると述べています。 「ここでの目的は、正味ゼロエネルギーへの移行に必要となる改善された材料の合成を最適化することです」とヘイグは結論付けています。
この研究の詳細は、 自然.
