Nova tehnika prvič omogoča zajemanje videoposnetkov posameznih atomov, ki "plavajo" na meji med trdno snovjo in tekočino. Pristop uporablja nize dvodimenzionalnih materialov za lovljenje tekočine, zaradi česar je združljiv s tehnikami karakterizacije, ki običajno zahtevajo vakuumske pogoje. Raziskovalcem bi lahko omogočil bolje razumevanje, kako se atomi obnašajo na teh vmesnikih, ki igrajo ključno vlogo v napravah, kot so baterije, katalitični sistemi in ločevalne membrane.
Obstaja več tehnik za slikanje posameznih atomov, vključno z vrstično tunelsko mikroskopijo (STM) in transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM). Vendar pa vključujejo izpostavljanje atomov na površini vzorca okolju z visokim vakuumom, kar lahko spremeni strukturo materiala. Tehnike, ki ne zahtevajo vakuuma, imajo bodisi nižjo ločljivost bodisi delujejo le v kratkih časovnih obdobjih, kar pomeni, da gibanja atomov ni mogoče zajeti na video.
Raziskovalci pod vodstvom znanstvenikov za materiale Sarah Haigh od Nacionalni inštitut za grafen Univerze v Manchestru (NGI) so zdaj razvili nov pristop, ki jim omogoča sledenje gibanja posameznih atomov na površini, ko je ta površina obdana s tekočino. Pokazali so, da se atomi v teh okoliščinah obnašajo zelo drugače kot v vakuumu. "To je ključnega pomena," pojasnjuje Haigh, "saj želimo razumeti obnašanje atomov za realistične reakcije/okoljske razmere, ki jih bo material doživel pri uporabi - na primer v bateriji, superkondenzatorju in membranskih reakcijskih posodah."
Vzorec, suspendiran med dvema tankima plastema tekočine
V svojih poskusih so raziskovalci NGI stisnili svoj vzorec - v tem primeru atomsko tanke plošče molibdenovega disulfida - med dve plošči borovega nitrida (BN) v TEM. Nato so uporabili litografijo za jedkanje lukenj v določenih regijah BN, tako da je bilo mogoče vzorec obesiti na območjih, kjer so se luknje prekrivale. Na koncu so dodali dve plasti grafena nad in pod BN in ju uporabili za ujetost tekočine v luknje. Nastala struktura, v kateri je vzorec obešen med dve plasti tekočine, je debela le 70 nm, pravi Haigh. Svet fizike.
Zahvaljujoč tej tako imenovani dvojni grafenski tekoči celici so raziskovalci lahko pridobili videoposnetke posameznih atomov, ki "plavajo", medtem ko so obdani s tekočino. Z analizo, kako so se atomi premikali v videoposnetkih, in primerjavo tega gibanja s teoretičnimi modeli, ki so jih razvili kolegi z Univerze v Cambridgeu, so pridobili nov vpogled v to, kako tekoče okolje vpliva na vedenje atomov. Na primer, ugotovili so, da tekočina pospešuje gibanje atomov, hkrati pa spreminja njihova prednostna "mesta počivanja" glede na osnovno trdno snov.
Grafenski sendvič odstranjuje led
"Nova tehnika bi lahko pomagala izboljšati naše razumevanje obnašanja atomov na vmesnikih med trdno in tekočo snovjo," pravi Haigh. "Takšno medfazno vedenje je na splošno le sondirano pri nižji ločljivosti, vendar določa življenjsko dobo baterij, aktivnost in dolgo življenjsko dobo številnih katalitičnih sistemov, funkcionalnost ločilnih membran kot tudi številne druge aplikacije."
Raziskovalci pravijo, da zdaj preučujejo širši nabor materialov in kako se njihovo obnašanje spreminja v različnih tekočih okoljih. "Tukaj je cilj optimizirati sintezo izboljšanih materialov, ki bodo potrebni za prehod z ničelno neto energijo," zaključuje Haigh.
Študija je podrobno opisana v Narava.
