Doppelte Graphen-Flüssigkeitszelle. (Clark et al., Universität Manchester) Die Bewegung einzelner Atome durch eine Flüssigkeit wurde erstmals mit einer Kamera festgehalten.
Mit einem Sandwich aus Materialien, die so dünn sind, dass sie praktisch zweidimensional sind, haben Wissenschaftler Platinatome eingefangen und beobachtet, wie sie unter unterschiedlichem Druck entlang einer Oberfläche „schwimmen“.
Die Ergebnisse werden uns helfen, besser zu verstehen, wie die Anwesenheit einer Flüssigkeit das Verhalten eines Feststoffs, mit dem sie in Kontakt kommt, verändert – was wiederum Auswirkungen haben könnte, die sich auf die Entwicklung neuer Substanzen und Materialien auswirken könnten.
„Angesichts der weitreichenden industriellen und wissenschaftlichen Bedeutung eines solchen Verhaltens ist es wirklich überraschend, wie viel wir noch über die Grundlagen des Verhaltens von Atomen auf Oberflächen in Kontakt mit Flüssigkeiten lernen müssen.“ erklärte die Materialwissenschaftlerin Sarah Haigh der University of Manchester im Vereinigten Königreich.
„Einer der Gründe für den Mangel an Informationen ist das Fehlen von Techniken, die experimentelle Daten für Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen liefern können.“
Wenn ein Feststoff und eine Flüssigkeit miteinander in Kontakt kommen, verändert sich das Verhalten beider Materialien an der Stelle, an der sie aufeinandertreffen. Diese Wechselwirkungen sind wichtig für das Verständnis verschiedenster Prozesse und Anwendungen, etwa des Materialtransports im eigenen Körper oder der Bewegung von Ionen in Batterien.
Es sei, wie die Forscher anmerken, äußerst schwierig, die Welt auf atomarer Ebene zu betrachten. Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), bei der ein Elektronenstrahl zur Erzeugung eines Bildes verwendet wird, ist eine der wenigen verfügbaren Techniken.
Dennoch war es schwierig, auf diese Weise zuverlässige Daten über das Verhalten von Atomen zu erhalten. Frühere Arbeiten in Graphen Flüssigzellen waren vielversprechend, lieferten jedoch inkonsistente Ergebnisse. Darüber hinaus erfordert der Betrieb von TEM typischerweise eine Hochvakuumumgebung. Dies ist ein Problem, da sich viele Materialien unter verschiedenen Druckbedingungen nicht gleich verhalten.
Glücklicherweise wurde eine Form von TEM für den Betrieb in flüssigen und gasförmigen Umgebungen entwickelt, die das Team für seine Forschung einsetzte.
Der nächste Schritt bestand darin, einen speziellen Satz Mikroskop-Objektträger zu erstellen, um die Atome aufzunehmen. Graphen ist das ideale Material für diese Experimente, denn es ist zweidimensional, stark, inert und undurchlässig. Aufbauend auf früheren Arbeiten entwickelte das Team eine Doppelgraphen-Flüssigkeitszelle, die mit der vorhandenen TEM-Technologie arbeiten kann.
Diese Zelle war mit einer genau kontrollierten Salzwasserlösung gefüllt, die Platinatome enthielt, deren Bewegung das Team auf einer festen Oberfläche aus Molybdändisulfid beobachtete.
Die Bilder offenbarten einige faszinierende Erkenntnisse. Beispielsweise bewegen sich die Atome in einer Flüssigkeit schneller als außerhalb und wählen verschiedene Orte auf der festen Oberfläche, um dort zu ruhen.
Darüber hinaus waren die Ergebnisse innerhalb und außerhalb einer Vakuumkammer unterschiedlich, was darauf hindeutet, dass Schwankungen des Umgebungsdrucks das Verhalten von Atomen beeinflussen können. Darüber hinaus lassen Ergebnisse von Experimenten in Vakuumkammern nicht unbedingt auf dieses Verhalten in der realen Welt schließen.
„In unserer Arbeit zeigen wir, dass irreführende Informationen geliefert werden, wenn das atomare Verhalten im Vakuum untersucht wird, anstatt unsere Flüssigzellen zu verwenden.“ sagte Materialingenieur Nick Clark der Universität Manchester.
„Dies ist ein Meilenstein und erst der Anfang – wir planen bereits, diese Technik zur Unterstützung der Entwicklung von Materialien für eine nachhaltige chemische Verarbeitung zu nutzen, die zur Verwirklichung der weltweiten Netto-Null-Ziele erforderlich sind.“
Das vom Team untersuchte Material sei für die Produktion von grünem Wasserstoff relevant, aber sowohl ihre Techniken als auch die erzielten Ergebnisse hätten weitaus umfassendere Auswirkungen, sagten die Forscher.
Der Artikel wurde veröffentlicht in Natur .