En ny teknikk gjør det mulig å ta opp videoer av enkeltatomer som «svømmer» i grensesnittet mellom et fast stoff og en væske for første gang. Tilnærmingen bruker stabler av todimensjonale materialer for å fange væsken, noe som gjør den kompatibel med karakteriseringsteknikker som vanligvis krever vakuumforhold. Det kan gjøre det mulig for forskere å bedre forstå hvordan atomer oppfører seg ved disse grensesnittene, som spiller en avgjørende rolle i enheter som batterier, katalytiske systemer og separasjonsmembraner.
Det finnes flere teknikker for å avbilde enkeltatomer, inkludert scanning tunneling microscopy (STM) og transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Imidlertid innebærer de å eksponere atomer på overflaten av prøven for et høyvakuummiljø, noe som kan endre materialets struktur. Teknikker som ikke krever et vakuum, i mellomtiden, har enten lavere oppløsning eller fungerer bare i korte tidsperioder, noe som betyr at atomenes bevegelse ikke kan fanges opp på video.
Forskere ledet av materialforskere Sarah Haigh av University of Manchesters National Graphene Institute (NGI) har nå utviklet en ny tilnærming som gjør dem i stand til å spore bevegelsen til enkeltatomer på en overflate når den overflaten er omgitt av væske. De viste at atomene oppfører seg veldig annerledes under disse omstendighetene enn de gjør i vakuum. "Dette er avgjørende," forklarer Haigh, "siden vi ønsker å forstå atomatferd for realistiske reaksjons-/miljøforhold som materialet vil oppleve i bruk - for eksempel i et batteri, superkondensator og membranreaksjonskar."
Prøve suspendert mellom to tynne lag med væske
I sine eksperimenter klemte NGI-forskerne prøven deres – i dette tilfellet atomtynne plater av molybdendisulfid – mellom to ark bornitrid (BN) i en TEM. De brukte deretter litografi for å etse hull i bestemte områder av BN slik at prøven kunne suspenderes i områdene der hullene overlappet. Til slutt la de til to grafenlag over og under BN og brukte disse til å fange en væske i hullene. Den resulterende strukturen, der prøven er suspendert mellom to lag med væske, er bare 70 nm tykk, forteller Haigh Fysikkens verden.
Takket være denne såkalte doble grafenvæskecellen, var forskerne i stand til å skaffe seg videoer av enkeltatomene som «svømmer» mens de var omgitt av væske. Ved deretter å analysere hvordan atomene beveget seg i videoene og sammenligne denne bevegelsen med teoretiske modeller utviklet av kolleger ved University of Cambridge, fikk de ny innsikt i hvordan et flytende miljø påvirker atomær atferd. For eksempel fant de ut at væsken akselererer atomenes bevegelse samtidig som den endrer deres foretrukne "hvilesteder" med hensyn til det underliggende faststoffet.
Graphene sandwich ruter bort is
"Den nye teknikken kan bidra til å forbedre vår forståelse av oppførselen til atomer ved fast-væske-grensesnitt," sier Haigh. "Slik grensesnittadferd blir vanligvis kun undersøkt ved lavere oppløsning, men det bestemmer levetiden til batterier, aktiviteten og levetiden til mange katalytiske systemer, funksjonaliteten til separasjonsmembraner så vel som mange andre applikasjoner."
Forskerne sier at de nå studerer et bredere spekter av materialer og hvordan deres oppførsel endres for forskjellige flytende miljøer. "Målet her er å optimere syntesen av forbedrede materialer som vil være nødvendig for netto nullenergiovergangen," konkluderer Haigh.
Studien er detaljert i Natur.
