Нова техніка вперше дозволяє знімати відео окремих атомів, які «плавають» на межі розділу між твердим тілом і рідиною. Цей підхід використовує пакети двовимірних матеріалів для уловлювання рідини, що робить його сумісним з методами визначення характеристик, які зазвичай вимагають умов вакууму. Це може дозволити дослідникам краще зрозуміти, як атоми поводяться на цих інтерфейсах, які відіграють вирішальну роль у таких пристроях, як батареї, каталітичні системи та розділові мембрани.
Існує кілька методів для зображення окремих атомів, включаючи скануючу тунельну мікроскопію (СТМ) і трансмісійну електронну мікроскопію (ТЕМ). Однак вони передбачають вплив на атоми на поверхні зразка середовища високого вакууму, що може змінити структуру матеріалу. Методи, які не вимагають вакууму, тим часом мають нижчу роздільну здатність або працюють лише протягом коротких періодів часу, що означає, що рух атомів неможливо зафіксувати на відео.
Дослідники на чолі з матеріалознавцями Сара Хей в Національний інститут графену Манчестерського університету (NGI) розробили новий підхід, який дозволяє їм відстежувати рух окремих атомів на поверхні, коли ця поверхня оточена рідиною. Вони показали, що за цих обставин атоми поводяться зовсім інакше, ніж у вакуумі. «Це має вирішальне значення, — пояснює Хей, — оскільки ми хочемо зрозуміти поведінку атома для реалістичної реакції/умов навколишнього середовища, які зазнає матеріал під час використання — наприклад, у батареї, суперконденсаторі та мембранних реакційних судинах».
Зразок, суспендований між двома тонкими шарами рідини
У своїх експериментах дослідники NGI помістили свій зразок – у цьому випадку атомно-тонкі листи дисульфіду молібдену – між двома листами нітриду бору (BN) у ТЕМ. Потім вони використовували літографію для травлення отворів у певних областях BN, щоб зразок міг бути підвішеним у областях, де отвори перекривалися. Нарешті, вони додали два шари графену над і під BN і використали їх для утримання рідини в отворах. Отримана структура, в якій зразок підвішений між двома шарами рідини, має товщину лише 70 нм, розповідає Хей. Світ фізики.
Завдяки цій так званій подвійній графеновій рідкій комірці дослідники змогли отримати відео окремих атомів, які «плавають» в оточенні рідини. Потім проаналізувавши, як атоми рухаються на відео, і порівнявши цей рух із теоретичними моделями, розробленими колегами з Кембриджського університету, вони отримали нове розуміння того, як рідке середовище впливає на поведінку атомів. Наприклад, вони виявили, що рідина прискорює рух атомів, водночас змінюючи їхні переважні «місця спокою» щодо основного твердого тіла.
Графеновий сендвіч розтирає лід
«Нова техніка може допомогти покращити наше розуміння поведінки атомів на межі розділу тверда речовина — рідина», — говорить Хей. «Така поверхнева поведінка зазвичай досліджується лише при низькій роздільній здатності, але вона визначає термін служби батарей, активність і довговічність багатьох каталітичних систем, функціональність роздільних мембран, а також багато інших застосувань».
Дослідники кажуть, що зараз вони вивчають більш широкий спектр матеріалів і те, як їх поведінка змінюється в різних рідких середовищах. «Мета тут полягає в оптимізації синтезу вдосконалених матеріалів, які знадобляться для переходу з нульовою чистою енергією», — підсумовує Хей.
Дослідження детально описано в природа.
