一项新技术首次使得捕捉单个原子在固体和液体界面处“游动”的视频成为可能。 该方法使用二维材料堆叠来捕获液体，使其与通常需要真空条件的表征技术兼容。 它可以使研究人员更好地了解原子在这些界面上的行为，这些界面在电池、催化系统和分离膜等设备中发挥着至关重要的作用。
存在多种对单个原子进行成像的技术，包括扫描隧道显微镜 (STM) 和透射电子显微镜 (TEM)。 然而，它们涉及将样品表面的原子暴露在高真空环境中，这可能会改变材料的结构。 与此同时，不需要真空的技术要么分辨率较低，要么只能在短时间内工作，这意味着无法在视频中捕捉到原子的运动。
由材料科学家领导的研究人员 莎拉·黑格 的 曼彻斯特大学国家石墨烯研究所 （NGI）现已开发出一种新方法，使他们能够在表面被液体包围时跟踪表面上单个原子的运动。 他们表明，原子在这些情况下的行为与在真空中的行为非常不同。 “这一点至关重要，”Haigh 解释道，“因为我们希望了解材料在使用过程中会经历的真实反应/环境条件下的原子行为，例如在电池、超级电容器和膜反应容器中。”
样品悬浮在两层薄薄的液体之间
在实验中，NGI 研究人员将样品（在本例中为原子级薄的二硫化钼片）夹在 TEM 中的两片氮化硼 (BN) 之间。 然后，他们使用光刻技术在 BN 的特定区域蚀刻孔，以便样品可以悬浮在孔重叠的区域。 最后，他们在 BN 上方和下方添加了两层石墨烯层，并用它们将液体捕获在孔中。 Haigh 表示，由此产生的结构，其中样品悬浮在两层液体之间，厚度仅为 70 nm 物理世界.
借助这种所谓的双石墨烯液体电池，研究人员能够获取单个原子在被液体包围时“游泳”的视频。 然后，通过分析视频中原子的运动方式，并将这种运动与剑桥大学同事开发的理论模型进行比较，他们获得了关于液体环境如何影响原子行为的新见解。 例如，他们发现液体加速了原子的运动，同时也改变了它们相对于下面的固体的首选“静止位置”。
石墨烯三明治可以消除冰块
“这项新技术可以帮助我们提高对固液界面原子行为的理解，”黑格说。 “这种界面行为通常只能在较低的分辨率下进行探测，但它决定了电池的寿命、许多催化系统的活性和寿命、分离膜的功能以及许多其他应用。”
研究人员表示，他们现在正在研究更广泛的材料以及它们的行为如何随着不同液体环境而变化。 “这里的目标是优化净零能源转型所需的改进材料的合成，”黑格总结道。
该研究详述于 自然.
