Một kỹ thuật mới lần đầu tiên có thể quay được video các nguyên tử đơn lẻ “bơi” ở bề mặt tiếp xúc giữa chất rắn và chất lỏng. Phương pháp này sử dụng các chồng vật liệu hai chiều để bẫy chất lỏng, khiến nó tương thích với các kỹ thuật mô tả đặc tính thường yêu cầu điều kiện chân không. Nó có thể cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách các nguyên tử hoạt động ở những bề mặt này, chúng đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị như pin, hệ thống xúc tác và màng phân tách.
Hiện có một số kỹ thuật để chụp ảnh các nguyên tử đơn lẻ, bao gồm kính hiển vi quét đường hầm (STM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Tuy nhiên, chúng liên quan đến việc cho các nguyên tử trên bề mặt mẫu tiếp xúc với môi trường chân không cao, có thể làm thay đổi cấu trúc của vật liệu. Trong khi đó, các kỹ thuật không cần chân không có độ phân giải thấp hơn hoặc chỉ hoạt động trong khoảng thời gian ngắn, nghĩa là chuyển động của các nguyên tử không thể ghi lại trên video.
Các nhà nghiên cứu dẫn đầu bởi các nhà khoa học vật liệu Sarah Haigh của Viện Graphene Quốc gia của Đại học Manchester (NGI) hiện đã phát triển một phương pháp mới cho phép họ theo dõi chuyển động của các nguyên tử đơn lẻ trên một bề mặt khi bề mặt đó được bao quanh bởi chất lỏng. Họ chứng tỏ rằng trong những trường hợp này, các nguyên tử hành xử rất khác so với trong chân không. Haigh giải thích: “Điều này rất quan trọng vì chúng tôi muốn hiểu hành vi của nguyên tử đối với các điều kiện môi trường/phản ứng thực tế mà vật liệu sẽ trải qua khi sử dụng – ví dụ, trong pin, siêu tụ điện và các bình phản ứng màng”.
Mẫu lơ lửng giữa hai lớp chất lỏng mỏng
Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu NGI đã kẹp mẫu của họ – trong trường hợp này là các tấm molypden disulphide mỏng cỡ nguyên tử – giữa hai tấm boron nitride (BN) trong TEM. Sau đó, họ sử dụng kỹ thuật in thạch bản để khắc các lỗ ở các vùng cụ thể của BN sao cho mẫu có thể lơ lửng ở những khu vực mà các lỗ chồng lên nhau. Cuối cùng, họ bổ sung thêm hai lớp graphene bên trên và bên dưới BN và sử dụng chúng để bẫy chất lỏng trong các lỗ. Cấu trúc thu được, trong đó mẫu được treo giữa hai lớp chất lỏng, chỉ dày 70 nm, Haigh cho biết. Thế giới vật lý.
Nhờ cái gọi là tế bào chất lỏng graphene kép này, các nhà nghiên cứu đã có thể thu được video về các nguyên tử đơn lẻ “bơi” trong khi được bao quanh bởi chất lỏng. Sau đó, bằng cách phân tích cách các nguyên tử di chuyển trong video và so sánh chuyển động này với các mô hình lý thuyết do các đồng nghiệp tại Đại học Cambridge phát triển, họ đã thu được những hiểu biết mới về cách môi trường chất lỏng ảnh hưởng đến hành vi nguyên tử. Ví dụ, họ phát hiện ra rằng chất lỏng làm tăng tốc chuyển động của các nguyên tử đồng thời thay đổi “vị trí nghỉ” ưa thích của chúng so với chất rắn bên dưới.
Bánh sandwich graphene làm tan băng
“Kỹ thuật mới có thể giúp cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về hoạt động của các nguyên tử ở các bề mặt tiếp xúc rắn-lỏng,” Haigh nói. “Hành vi giao diện như vậy thường chỉ được thăm dò ở độ phân giải thấp hơn, nhưng nó quyết định tuổi thọ của pin, hoạt động và tuổi thọ của nhiều hệ thống xúc tác, chức năng của màng phân tách cũng như nhiều ứng dụng khác.”
Các nhà nghiên cứu cho biết họ hiện đang nghiên cứu nhiều loại vật liệu hơn và hành vi của chúng thay đổi như thế nào đối với các môi trường chất lỏng khác nhau. Haigh kết luận: “Mục đích ở đây là tối ưu hóa quá trình tổng hợp các vật liệu cải tiến cần thiết cho quá trình chuyển đổi năng lượng bằng không”.
Nghiên cứu được trình bày chi tiết trong Thiên nhiên.
