เทคนิคใหม่ทำให้สามารถจับภาพวิดีโอของอะตอมเดี่ยวที่ "ว่ายน้ำ" ที่จุดเชื่อมต่อระหว่างของแข็งและของเหลวได้เป็นครั้งแรก วิธีการนี้ใช้กองวัสดุสองมิติเพื่อดักจับของเหลว ทำให้สามารถใช้งานร่วมกับเทคนิคการระบุลักษณะเฉพาะที่มักต้องใช้สภาวะสุญญากาศ ซึ่งช่วยให้นักวิจัยเข้าใจได้ดีขึ้นว่าอะตอมมีพฤติกรรมอย่างไรที่ส่วนต่อประสานเหล่านี้ ซึ่งมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์ต่างๆ เช่น แบตเตอรี่ ระบบตัวเร่งปฏิกิริยา และเยื่อแยก
มีเทคนิคหลายประการในการสร้างภาพอะตอมเดี่ยว รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์ส่องกราด (STM) และกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) อย่างไรก็ตาม สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการเปิดเผยอะตอมบนพื้นผิวของตัวอย่างสู่สภาพแวดล้อมที่มีสุญญากาศสูง ซึ่งสามารถเปลี่ยนโครงสร้างของวัสดุได้ เทคนิคที่ไม่ต้องใช้สุญญากาศ อาจมีความละเอียดต่ำกว่าหรือใช้ได้เฉพาะในช่วงเวลาสั้นๆ เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าไม่สามารถบันทึกการเคลื่อนไหวของอะตอมในวิดีโอได้
นักวิจัยนำโดยนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ ซาราห์ ฮาย ของ สถาบันกราฟีนแห่งชาติของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ขณะนี้ (NGI) ได้พัฒนาวิธีการใหม่ที่ช่วยให้พวกเขาสามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอะตอมเดี่ยวบนพื้นผิวเมื่อพื้นผิวนั้นถูกล้อมรอบด้วยของเหลว พวกเขาแสดงให้เห็นว่าอะตอมมีพฤติกรรมแตกต่างไปมากภายใต้สถานการณ์เหล่านี้มากกว่าในสุญญากาศ “นี่เป็นสิ่งสำคัญ” Haigh อธิบาย “เนื่องจากเราต้องการเข้าใจพฤติกรรมของอะตอมสำหรับปฏิกิริยาจริง/สภาวะสิ่งแวดล้อมที่วัสดุจะประสบในการใช้งาน เช่น ในแบตเตอรี่ ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และภาชนะปฏิกิริยาเมมเบรน”
ตัวอย่างแขวนอยู่ระหว่างชั้นบางๆ ของของเหลว XNUMX ชั้น
ในการทดลอง นักวิจัยของ NGI ได้ประกบตัวอย่างของพวกเขา (ในกรณีนี้คือแผ่นโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ที่มีขนาดบางเป็นอะตอม) ระหว่างแผ่นโบรอนไนไตรด์ (BN) สองแผ่นใน TEM จากนั้นพวกเขาใช้การพิมพ์หินเพื่อกัดหลุมในพื้นที่เฉพาะของ BN เพื่อที่จะได้แขวนตัวอย่างไว้ในบริเวณที่หลุมทับซ้อนกัน ในที่สุด พวกเขาเพิ่มกราฟีนสองชั้นด้านบนและด้านล่าง BN และใช้สิ่งเหล่านี้เพื่อดักจับของเหลวในรู โครงสร้างที่ได้ซึ่งตัวอย่างถูกแขวนไว้ระหว่างของเหลวสองชั้น มีความหนาเพียง 70 นาโนเมตร Haigh กล่าว โลกฟิสิกส์.
ต้องขอบคุณเซลล์ของเหลวกราฟีนคู่ที่เรียกว่านี้ นักวิจัยจึงสามารถรับวิดีโอเกี่ยวกับอะตอมเดี่ยวที่ "ว่ายน้ำ" ในขณะที่ล้อมรอบด้วยของเหลว จากนั้นวิเคราะห์ว่าอะตอมเคลื่อนที่ในวิดีโออย่างไร และเปรียบเทียบการเคลื่อนไหวนี้กับแบบจำลองทางทฤษฎีที่พัฒนาโดยเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ พวกเขาได้รับข้อมูลเชิงลึกใหม่ ๆ ว่าสภาพแวดล้อมของของเหลวส่งผลต่อพฤติกรรมของอะตอมอย่างไร ตัวอย่างเช่น พวกเขาพบว่าของเหลวเร่งการเคลื่อนที่ของอะตอมในขณะเดียวกันก็เปลี่ยน "จุดพัก" ที่ต้องการโดยสัมพันธ์กับของแข็งที่อยู่ด้านล่าง
แซนวิชกราฟีนกำลังสี่เหลี่ยมน้ำแข็ง
“เทคนิคใหม่นี้สามารถช่วยปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับพฤติกรรมของอะตอมที่ส่วนต่อประสานระหว่างของแข็งและของเหลวได้” Haigh กล่าว “โดยทั่วไปพฤติกรรมการแทรกซึมของพื้นผิวดังกล่าวจะถูกตรวจสอบที่ความละเอียดต่ำกว่าเท่านั้น แต่จะเป็นตัวกำหนดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ กิจกรรมและอายุการใช้งานของระบบเร่งปฏิกิริยาต่างๆ การทำงานของเมมเบรนแยก ตลอดจนการใช้งานอื่นๆ อีกมากมาย”
นักวิจัยกล่าวว่าขณะนี้พวกเขากำลังศึกษาวัสดุหลากหลายประเภทมากขึ้น และพฤติกรรมของพวกมันเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในสภาพแวดล้อมของเหลวที่แตกต่างกัน “เป้าหมายที่นี่คือเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสังเคราะห์วัสดุที่ได้รับการปรับปรุงซึ่งจำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงพลังงานสุทธิเป็นศูนย์” Haigh กล่าวสรุป
รายละเอียดการศึกษาอยู่ใน ธรรมชาติ.
