Ученые впервые увидели движение отдельных атомов в жидкости
Эксперимент помогает понять, как присутствие жидкости меняет поведение твердого тела, с которым оно находится в контакте, что, в свою очередь, может иметь последствия для разработки новых веществ и материалов.
«Учитывая широкое промышленное и научное значение такого поведения, поистине удивительно, как много нам еще предстоит узнать об основах поведения атомов на поверхностях, контактирующих с жидкостями», — объяснила материаловед Сара Хей из Манчестерского университета в Великобритании.
Он уверяет, что одной из причин отсутствия информации в первую очередь является отсутствие методов, способных дать экспериментальные данные для границ раздела твердое тело-жидкость.
Когда твердое тело и жидкость соприкасаются друг с другом, поведение обоих материалов изменяется там, где они встречаются. Эти взаимодействия важны для понимания широкого спектра процессов и приложений, таких как транспортировка материалов внутри нашего тела или движение ионов внутри батарей.
Почему это так сложно?
Как отмечают исследователи, крайне сложно рассматривать мир в атомном масштабе. Трансмиссионная электронная микроскопия (ТЭМ), в которой для создания изображения используется пучок электронов, является одним из немногих доступных методов.
Но даже в этом случае получить достоверные данные о поведении атомов таким способом было непросто. Предыдущая работа с графеновыми жидкими ячейками была многообещающей, но дала противоречивые результаты. Кроме того, для работы ТЭМ обычно требуется среда с высоким вакуумом. Это проблема, поскольку многие материалы ведут себя по-разному в разных условиях давления.
К счастью, исследователям удалось разработать форма ТЭМ для работы в жидких и газообразных средах, которую команда использовала для своих экспериментов.
Следующим шагом было создание специального набора «препаратов» микроскопа для содержания атомов. Графен — идеальный материал для этих экспериментов, потому что он двумерный, прочный, инертный и непроницаемый. Опираясь на предыдущую работу, команда разработала двойную графеновую жидкую ячейку, способную работать с существующей технологией TЭM.
Эта ячейка была заполнена точно контролируемым раствором соленой воды, содержащим атомы платины, которые команда наблюдала за движением по твердой поверхности дисульфида молибдена.
Результаты работы
Полученные в результате изображения показали некоторые интересные особенности. Например, в жидкости атомы двигались быстрее, чем вне ее, и выбирают для отдыха разные места на твердой поверхности.
Кроме того, результаты внутри и снаружи вакуумной камеры были разными, что позволяет предположить, что изменения давления окружающей среды могут влиять на поведение атомов. Более того, результаты экспериментов, полученные в вакуумных камерах, не обязательно будут свидетельствовать о таком поведении в реальном мире.
Исследователи заявили, что материал, который изучила команда, имеет отношение к производству «зеленого» водорода, но как их методы, так и полученные ими результаты имеют гораздо более широкое значение.
