Uma nova técnica permite capturar pela primeira vez vídeos de átomos únicos “nadando” na interface entre um sólido e um líquido. A abordagem utiliza pilhas de materiais bidimensionais para reter o líquido, tornando-o compatível com técnicas de caracterização que normalmente requerem condições de vácuo. Poderia permitir aos investigadores compreender melhor como os átomos se comportam nestas interfaces, que desempenham um papel crucial em dispositivos como baterias, sistemas catalíticos e membranas de separação.
Existem várias técnicas para criar imagens de átomos únicos, incluindo microscopia de varredura por tunelamento (STM) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). No entanto, envolvem a exposição de átomos na superfície da amostra a um ambiente de alto vácuo, o que pode alterar a estrutura do material. Enquanto isso, as técnicas que não requerem vácuo têm resolução mais baixa ou funcionam apenas por curtos períodos de tempo, o que significa que o movimento dos átomos não pode ser capturado em vídeo.
Pesquisadores liderados por cientistas de materiais Sarah Haigh da Instituto Nacional de Grafeno da Universidade de Manchester (NGI) desenvolveram agora uma nova abordagem que lhes permite rastrear o movimento de átomos únicos em uma superfície quando essa superfície está cercada por líquido. Eles mostraram que os átomos se comportam de maneira muito diferente nessas circunstâncias do que no vácuo. “Isso é crucial”, explica Haigh, “uma vez que queremos entender o comportamento atômico para reações realistas/condições ambientais que o material experimentará em uso – por exemplo, em uma bateria, supercapacitor e vasos de reação de membrana”.
Amostra suspensa entre duas finas camadas de líquido
Nas suas experiências, os investigadores do NGI colocaram a sua amostra – neste caso, folhas atomicamente finas de dissulfureto de molibdénio – entre duas folhas de nitreto de boro (BN) num TEM. Eles então usaram litografia para gravar buracos em regiões específicas do BN para que a amostra pudesse ser suspensa nas áreas onde os buracos se sobrepunham. Finalmente, eles adicionaram duas camadas de grafeno acima e abaixo do BN e as usaram para reter um líquido nos buracos. A estrutura resultante, na qual a amostra está suspensa entre duas camadas de líquido, tem apenas 70 nm de espessura, diz Haigh. Mundo da física.
Graças a esta chamada célula líquida dupla de grafeno, os pesquisadores conseguiram adquirir vídeos dos átomos individuais “nadando” rodeados por líquido. Analisando então como os átomos se moviam nos vídeos e comparando esse movimento com modelos teóricos desenvolvidos por colegas da Universidade de Cambridge, eles obtiveram novos insights sobre como um ambiente líquido afeta o comportamento atômico. Por exemplo, eles descobriram que o líquido acelera o movimento dos átomos, ao mesmo tempo que muda os seus “locais de repouso” preferidos em relação ao sólido subjacente.
Sanduíche de grafeno afasta o gelo
“A nova técnica pode ajudar a melhorar a nossa compreensão do comportamento dos átomos em interfaces sólido-líquido”, diz Haigh. “Esse comportamento interfacial geralmente só é investigado em resolução mais baixa, mas determina a vida útil das baterias, a atividade e longevidade de muitos sistemas catalíticos, a funcionalidade das membranas de separação, bem como muitas outras aplicações.”
Os pesquisadores dizem que agora estão estudando uma gama mais ampla de materiais e como seu comportamento muda em diferentes ambientes líquidos. “O objetivo aqui é otimizar a síntese de materiais melhorados que serão necessários para a transição de energia líquida zero”, conclui Haigh.
O estudo é detalhado em Natureza.
