Nowa technika umożliwia po raz pierwszy rejestrowanie filmów pojedynczych atomów „pływających” na granicy między ciałem stałym a cieczą. Podejście to wykorzystuje stosy dwuwymiarowych materiałów do uwięzienia cieczy, dzięki czemu jest kompatybilne z technikami charakteryzacji, które zwykle wymagają warunków próżniowych. Mogłoby to umożliwić naukowcom lepsze zrozumienie, w jaki sposób atomy zachowują się na tych interfejsach, które odgrywają kluczową rolę w urządzeniach takich jak baterie, układy katalityczne i membrany rozdzielające.
Istnieje kilka technik obrazowania pojedynczych atomów, w tym skaningowa mikroskopia tunelowa (STM) i transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM). Polegają jednak na wystawieniu atomów na powierzchni próbki na działanie środowiska o wysokiej próżni, które może zmienić strukturę materiału. Tymczasem techniki, które nie wymagają próżni, albo mają niższą rozdzielczość, albo działają tylko przez krótki czas, co oznacza, że ruchu atomów nie można uchwycić na wideo.
Badacze prowadzeni przez materiałoznawców Sara Haig ukończenia Narodowy Instytut Grafenu Uniwersytetu w Manchesterze (NGI) opracowali teraz nowe podejście, które umożliwia im śledzenie ruchu pojedynczych atomów na powierzchni, gdy ta powierzchnia jest otoczona cieczą. Wykazali, że atomy zachowują się zupełnie inaczej w tych warunkach niż w próżni. „To ma kluczowe znaczenie”, wyjaśnia Haigh, „ponieważ chcemy zrozumieć zachowanie atomów w realistycznych warunkach reakcji/środowiska, w jakich materiał będzie doświadczany podczas użytkowania – na przykład w baterii, superkondensatorze i membranowych naczyniach reakcyjnych”.
Próbka zawieszona między dwiema cienkimi warstwami cieczy
W swoich eksperymentach naukowcy z NGI umieścili swoją próbkę – w tym przypadku atomowo cienkie arkusze dwusiarczku molibdenu – pomiędzy dwoma arkuszami azotku boru (BN) w TEM. Następnie wykorzystali litografię do wytrawienia otworów w określonych obszarach BN, tak aby próbka mogła zostać zawieszona w obszarach, w których otwory zachodziły na siebie. Na koniec dodali dwie warstwy grafenu powyżej i poniżej BN i wykorzystali je do uwięzienia cieczy w otworach. Powstała struktura, w której próbka jest zawieszona między dwiema warstwami cieczy, ma grubość zaledwie 70 nm, mówi Haigh Świat Fizyki.
Dzięki tej tak zwanej podwójnej komórce płynnej grafenu naukowcy byli w stanie uzyskać filmy przedstawiające „pływające” pojedyncze atomy w otoczeniu cieczy. Analizując następnie ruch atomów na filmach i porównując ten ruch z modelami teoretycznymi opracowanymi przez kolegów z University of Cambridge, uzyskali nowy wgląd w to, jak płynne środowisko wpływa na zachowanie atomów. Na przykład odkryli, że ciecz przyspiesza ruch atomów, jednocześnie zmieniając ich preferowane „miejsca spoczynku” w stosunku do leżącej pod spodem bryły.
Grafenowa kanapka usuwa lód
„Nowa technika może pomóc w lepszym zrozumieniu zachowania atomów na granicy faz ciało stałe-ciecz” – mówi Haigh. „Takie zachowanie międzyfazowe jest generalnie badane tylko przy niższej rozdzielczości, ale determinuje żywotność baterii, aktywność i żywotność wielu systemów katalitycznych, funkcjonalność membran rozdzielających, a także wiele innych zastosowań”.
Naukowcy twierdzą, że badają teraz szerszy zakres materiałów i to, jak zmienia się ich zachowanie w różnych płynnych środowiskach. „Celem jest optymalizacja syntezy ulepszonych materiałów, które będą potrzebne do przejścia na zerową energię netto”, podsumowuje Haigh.
Badanie jest szczegółowo opisane w Natura.
