Grafeenwetenschappers leggen eerste beelden vast van atomen die ‘zwemmen’ in vloeistof

Grafeenwetenschappers van de Universiteit van Manchester hebben een nieuwe “nano-petrischaal” gemaakt met behulp van tweedimensionale (2D) materialen om een ​​nieuwe methode te creëren om te observeren hoe atomen in vloeistof bewegen.

Publiceren in het tijdschrift Natuurgebruikte het team onder leiding van onderzoekers van het National Graphene Institute (NGI) stapels 2D-materialen zoals grafeen om vloeistof op te vangen om beter te begrijpen hoe de aanwezigheid van vloeistof het gedrag van de vaste stof verandert.

Het team kon voor het eerst beelden vastleggen van afzonderlijke atomen die in vloeistof “zwemmen”. De bevindingen kunnen een wijdverbreide impact hebben op de toekomstige ontwikkeling van groene technologieën zoals waterstofproductie.

Wanneer een vast oppervlak in contact is met een vloeistof, veranderen beide stoffen hun configuratie als reactie op de nabijheid van de ander. Dergelijke interacties op atomaire schaal bij vaste-vloeistof-interfaces bepalen het gedrag van batterijen en brandstofcellen voor de opwekking van schone elektriciteit, bepalen ook de efficiëntie van de opwekking van schoon water en ondersteunen veel biologische processen.

Een van de hoofdonderzoekers, professor Sarah Haigh, merkte op: “Gezien het wijdverbreide industriële en wetenschappelijke belang van dergelijk gedrag, is het echt verrassend hoeveel we nog moeten leren over de grondbeginselen van hoe atomen zich gedragen op oppervlakken die in contact komen met vloeistoffen. van de redenen waarom informatie ontbreekt, is de afwezigheid van technieken die experimentele gegevens kunnen opleveren voor vaste-vloeistof-interfaces.”

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is een van de weinige technieken waarmee individuele atomen kunnen worden gezien en geanalyseerd. Het TEM-instrument vereist echter een hoogvacuümomgeving en de structuur van materialen verandert in een vacuüm. Eerste auteur Dr. Nick Clark legde uit: “In ons werk laten we zien dat misleidende informatie wordt verstrekt als het atomaire gedrag in vacuüm wordt bestudeerd in plaats van onze vloeibare cellen te gebruiken.”

Professor Roman Gorbatsjov is een pionier in het stapelen van 2D-materialen voor elektronica, maar hier heeft zijn groep diezelfde technieken gebruikt om een ​​”dubbele grafeen-vloeistofcel” te ontwikkelen. Een 2D-laag van molybdeendisulfide was volledig gesuspendeerd in vloeistof en ingekapseld door grafeenvensters. Dankzij dit nieuwe ontwerp konden ze nauwkeurig gecontroleerde vloeistoflagen leveren, waardoor ongekende video’s konden worden vastgelegd waarop de afzonderlijke atomen “zwemmen”, omringd door vloeistof.

Door te analyseren hoe de atomen in de video’s bewogen en te vergelijken met theoretische inzichten van collega’s van Cambridge University, konden de onderzoekers het effect van de vloeistof op atomair gedrag begrijpen. De vloeistof bleek de beweging van de atomen te versnellen en ook hun voorkeursrustplaatsen te veranderen ten opzichte van de onderliggende vaste stof.

Het team bestudeerde een materiaal dat veelbelovend is voor de productie van groene waterstof, maar de experimentele technologie die ze hebben ontwikkeld, kan voor veel verschillende toepassingen worden gebruikt.

Dr. Nick Clark zei: “Dit is een mijlpaal en het is nog maar het begin – we zijn al aan het kijken om deze techniek te gebruiken om de ontwikkeling van materialen voor duurzame chemische verwerking te ondersteunen, die nodig zijn om ’s werelds netto nul-ambities te bereiken.”