Een nieuwe techniek maakt het voor het eerst mogelijk om video's vast te leggen van enkele atomen die "zwemmen" op het grensvlak tussen een vaste stof en een vloeistof. De aanpak maakt gebruik van stapels van tweedimensionale materialen om de vloeistof op te vangen, waardoor deze compatibel is met karakteriseringstechnieken die meestal vacuümomstandigheden vereisen. Het zou onderzoekers in staat kunnen stellen beter te begrijpen hoe atomen zich gedragen op deze interfaces, die een cruciale rol spelen in apparaten zoals batterijen, katalytische systemen en scheidingsmembranen.
Er bestaan verschillende technieken om afzonderlijke atomen in beeld te brengen, waaronder scanning tunneling microscopie (STM) en transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Ze omvatten echter het blootstellen van atomen op het oppervlak van het monster aan een omgeving met een hoog vacuüm, wat de structuur van het materiaal kan veranderen. Technieken die geen vacuüm nodig hebben, hebben ondertussen een lagere resolutie of werken alleen voor korte perioden, wat betekent dat de beweging van de atomen niet op video kan worden vastgelegd.
Onderzoekers onder leiding van materiaalwetenschappers Sarah Haigh van de Het National Graphene Institute van de Universiteit van Manchester (NGI) hebben nu een nieuwe aanpak ontwikkeld waarmee ze de beweging van afzonderlijke atomen op een oppervlak kunnen volgen wanneer dat oppervlak is omgeven door vloeistof. Ze toonden aan dat de atomen zich onder deze omstandigheden heel anders gedragen dan in vacuüm. "Dit is cruciaal", legt Haigh uit, "aangezien we atomair gedrag willen begrijpen voor realistische reactie- / omgevingsomstandigheden die het materiaal tijdens gebruik zal ervaren - bijvoorbeeld in een batterij, supercondensator en membraanreactievaten."
Monster gesuspendeerd tussen twee dunne vloeistoflagen
In hun experimenten plaatsten de NGI-onderzoekers hun monster - in dit geval atomair dunne vellen molybdeendisulfide - tussen twee vellen boornitride (BN) in een TEM. Vervolgens gebruikten ze lithografie om gaten in specifieke delen van de BN te etsen, zodat het monster kon worden opgehangen in de gebieden waar de gaten elkaar overlapten. Ten slotte voegden ze twee grafeenlagen toe boven en onder de BN en gebruikten deze om een vloeistof in de gaten op te sluiten. De resulterende structuur, waarin het monster tussen twee vloeistoflagen hangt, is slechts 70 nm dik, vertelt Haigh Natuurkunde wereld.
Dankzij deze zogenaamde dubbele grafeen-vloeistofcel konden de onderzoekers video's maken van de enkele atomen die 'zwemmen' terwijl ze omringd zijn door vloeistof. Door vervolgens te analyseren hoe de atomen in de video's bewegen en deze beweging te vergelijken met theoretische modellen die zijn ontwikkeld door collega's van de Universiteit van Cambridge, kregen ze nieuwe inzichten in hoe een vloeibare omgeving atomair gedrag beïnvloedt. Ze ontdekten bijvoorbeeld dat de vloeistof de beweging van de atomen versnelt en tegelijkertijd hun favoriete "rustplaatsen" ten opzichte van de onderliggende vaste stof verandert.
Grafeensandwich snijdt ijs weg
"De nieuwe techniek zou ons begrip van het gedrag van atomen op grensvlakken tussen vaste en vloeibare stoffen kunnen helpen verbeteren", zegt Haigh. "Dergelijk grensvlakgedrag wordt over het algemeen alleen met een lagere resolutie onderzocht, maar het bepaalt de levensduur van batterijen, de activiteit en levensduur van veel katalytische systemen, de functionaliteit van scheidingsmembranen en vele andere toepassingen."
De onderzoekers zeggen dat ze nu een breder scala aan materialen bestuderen en hoe hun gedrag verandert voor verschillende vloeibare omgevingen. "Het doel hier is om de synthese van verbeterde materialen die nodig zijn voor de netto-energieneutrale transitie te optimaliseren", concludeert Haigh.
De studie is gedetailleerd in NATUUR.
