O nouă tehnică face posibilă capturarea videoclipurilor cu atomi individuali care „înoată” la interfața dintre un solid și un lichid pentru prima dată. Abordarea folosește stive de materiale bidimensionale pentru a capta lichidul, făcându-l compatibil cu tehnicile de caracterizare care necesită de obicei condiții de vid. Ar putea permite cercetătorilor să înțeleagă mai bine cum se comportă atomii la aceste interfețe, care joacă un rol crucial în dispozitive precum bateriile, sistemele catalitice și membranele de separare.
Există mai multe tehnici de imagine a atomilor unici, inclusiv microscopia de scanare cu tunel (STM) și microscopia electronică cu transmisie (TEM). Cu toate acestea, ele implică expunerea atomilor de pe suprafața probei la un mediu de vid înalt, care poate schimba structura materialului. Între timp, tehnicile care nu necesită vid sunt fie cu rezoluție mai mică, fie funcționează doar pentru perioade scurte de timp, ceea ce înseamnă că mișcarea atomilor nu poate fi surprinsă pe video.
Cercetători conduși de oameni de știință din materiale Sarah Haigh a Institutul Național de Grafen al Universității din Manchester (NGI) au dezvoltat acum o nouă abordare care le permite să urmărească mișcarea atomilor unici pe o suprafață atunci când acea suprafață este înconjurată de lichid. Ei au arătat că atomii se comportă foarte diferit în aceste circumstanțe decât în vid. „Acest lucru este crucial”, explică Haigh, „deoarece dorim să înțelegem comportamentul atomic pentru condiții realiste de reacție/mediu pe care materialul le va experimenta în timpul utilizării – de exemplu, într-o baterie, supercondensator și vase de reacție cu membrană”.
Probă suspendată între două straturi subțiri de lichid
În experimentele lor, cercetătorii NGI au pus eșantionul lor - în acest caz, foi subțiri atomic de bisulfură de molibden - între două foi de nitrură de bor (BN) într-un TEM. Apoi au folosit litografia pentru a grava găurile în anumite regiuni ale BN, astfel încât proba să poată fi suspendată în zonele în care găurile se suprapuneau. În cele din urmă, au adăugat două straturi de grafen deasupra și dedesubtul BN și le-au folosit pentru a prinde un lichid în găuri. Structura rezultată, în care proba este suspendată între două straturi de lichid, are o grosime de doar 70 nm, spune Haigh. Lumea fizicii.
Datorită acestei așa-numite celule lichide cu grafen dublu, cercetătorii au reușit să obțină videoclipuri cu atomii unici „înotând” în timp ce erau înconjurați de lichid. Până atunci, analizând modul în care atomii s-au mișcat în videoclipuri și comparând această mișcare cu modelele teoretice dezvoltate de colegii de la Universitatea din Cambridge, aceștia au obținut noi perspective asupra modului în care mediul lichid afectează comportamentul atomic. De exemplu, ei au descoperit că lichidul accelerează mișcarea atomilor, schimbând, de asemenea, „locurile de odihnă” preferate în raport cu solidul subiacent.
Sandvișul cu grafen îndepărtează gheața
„Noua tehnică ar putea ajuta la îmbunătățirea înțelegerii noastre a comportamentului atomilor la interfețele solid-lichid”, spune Haigh. „Un astfel de comportament interfacial este, în general, testat doar la rezoluție mai mică, dar determină durata de viață a bateriilor, activitatea și longevitatea multor sisteme catalitice, funcționalitatea membranelor de separare, precum și multe alte aplicații.”
Cercetătorii spun că acum studiază o gamă mai largă de materiale și modul în care comportamentul lor se schimbă pentru diferite medii lichide. „Scopul aici este de a optimiza sinteza materialelor îmbunătățite care vor fi necesare pentru tranziția netă la energie zero”, conchide Haigh.
Studiul este detaliat în Natură.
