Naukowcy robią zdjęcia atomów „pływających” w cieczy

Naukowcy zajmujący się grafenem z Uniwersytetu w Manchesterze stworzyli nową „nanoszaczkę Petriego” przy użyciu materiałów dwuwymiarowych (2D), aby stworzyć nowy sposób obserwowania ruchu atomów w cieczy.

Opublikowany w Nature zespół kierowany przez naukowców z National Graphene Institute (NGI) wykorzystał stosy dwuwymiarowych materiałów, takich jak grafen, do wychwytywania cieczy, aby zrozumieć, w jaki sposób obecność cieczy zmienia zachowanie ciała stałego.

Po raz pierwszy zespołowi udało się uchwycić obrazy pojedynczych atomów „pływających” w cieczy. Odkrycia mogą mieć duży wpływ na przyszły rozwój zielonych technologii, takich jak produkcja wodoru.

Gdy powierzchnia ciała stałego wchodzi w kontakt z cieczą, obie substancje zmieniają swój skład w odpowiedzi na bliskość drugiej. Oddziaływania w skali atomowej na granicy faz ciało stałe-ciecz kontrolują zachowanie baterii i ogniw paliwowych w celu generowania czystej energii elektrycznej, a także określają wydajność wytwarzania czystej wody i wspierają wiele procesów biologicznych.

Jedna z głównych badaczy, profesor Sarah Hay, skomentowała: „Biorąc pod uwagę powszechne przemysłowe i naukowe znaczenie takiego zachowania, jest naprawdę zaskakujące, jak wiele wciąż musimy się nauczyć o podstawach zachowania atomów na powierzchniach w kontakcie z cieczami. Jedną z przyczyn utraty informacji jest brak odpowiednich technologii wytwarzania danych eksperymentalnych dla interfejsów ciało stałe-ciecz”.

Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM) to jedna z nielicznych technologii, która umożliwia oglądanie i analizę poszczególnych atomów. Jednak przyrząd TEM wymaga środowiska o wysokiej próżni, a struktura materiału zmienia się w próżni. Pierwszy autor, dr Nick Clark, wyjaśnił: „W naszej pracy pokazujemy, że dezinformacja jest dostarczana, jeśli zachowanie atomów jest badane w próżni, a nie przy użyciu płynnych komórek”.

Profesor Roman Gorbaczow był pionierem w układaniu materiałów 2D dla elektroniki, ale tutaj jego grupa zastosowała te same techniki do opracowania „podwójnego grafenowego ogniwa płynnego”. Dwuwymiarowa warstwa dwusiarczku molibdenu została całkowicie zawieszona w cieczy i zamknięta w oknach grafenowych. Ta nowa konstrukcja pozwoliła im zapewnić precyzyjnie kontrolowane warstwy cieczy, umożliwiając uchwycenie niespotykanych dotąd filmów pokazujących pojedyncze atomy „pływające” w otoczeniu cieczy.

Analizując ruch atomów na filmach i porównując je z teoretycznymi spostrzeżeniami przedstawionymi przez kolegów z Uniwersytetu Cambridge, naukowcy byli w stanie zrozumieć wpływ płynu na zachowanie atomów. Stwierdzono, że ciecz przyspiesza ruch atomów, a także zmienia ich preferowane pozycje spoczynkowe w stosunku do podstawowego ciała stałego.

Zespół zbadał materiał obiecujący produkcję zielonego wodoru, ale opracowana przez niego eksperymentalna technologia może być wykorzystana w wielu różnych zastosowaniach.

Dr Nick Clark powiedział: „To wybitne osiągnięcie i to dopiero początek – już nie możemy się doczekać wykorzystania tej technologii do wspierania rozwoju materiałów do zrównoważonego przetwarzania chemicznego, niezbędnych do osiągnięcia światowych ambicji zerowych netto”.

Odniesienie:

1. Nick Clark, Daniel J. Kelly, Mingui Zhou, Yi Zhao Zhou, Chang Wu-myung, David J. Hopkinson, Christoph Schran, Angelos Michaelides, Roman Gorbaczow, Sarah J. Hai. Śledzenie pojedynczych adatomów w płynie w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. Natura, 2022; DOI: 10.1038 / s41586-022-05130-0