02.08.2022 - University of Manchester

Graphen-Wissenschaftler fangen erste Bilder von in Flüssigkeit "schwimmenden" Atomen ein

Graphen-Wissenschaftler der Universität Manchester haben eine neuartige "Nano-Petrischale" aus zweidimensionalen (2D) Materialien entwickelt, um eine neue Methode zur Beobachtung der Bewegung von Atomen in Flüssigkeiten zu schaffen

Das Team, das von Forschern des National Graphene Institute (NGI) geleitet wird, hat in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht,dass es Stapel von 2D-Materialien wie Graphen verwendet hat, um Flüssigkeit einzufangen, um besser zu verstehen, wie das Vorhandensein von Flüssigkeit das Verhalten des Festkörpers verändert.

Das Team konnte zum ersten Mal Bilder von einzelnen Atomen aufnehmen, die in Flüssigkeit "schwimmen". Die Ergebnisse könnten weitreichende Auswirkungen auf die künftige Entwicklung grüner Technologien wie die Wasserstofferzeugung haben.

Wenn eine feste Oberfläche mit einer Flüssigkeit in Berührung kommt, ändern beide Substanzen ihre Konfiguration als Reaktion auf die Nähe der anderen. Solche Wechselwirkungen auf atomarer Ebene an Fest-Flüssig-Grenzflächen bestimmen das Verhalten von Batterien und Brennstoffzellen für die saubere Stromerzeugung, bestimmen die Effizienz der Erzeugung von sauberem Wasser und sind die Grundlage vieler biologischer Prozesse.

Eine der leitenden Forscherinnen, Professor Sarah Haigh, kommentierte: "Angesichts der weit verbreiteten industriellen und wissenschaftlichen Bedeutung dieses Verhaltens ist es wirklich überraschend, wie viel wir noch über die Grundlagen des Verhaltens von Atomen auf Oberflächen in Kontakt mit Flüssigkeiten lernen müssen. Einer der Gründe, warum Informationen fehlen, ist das Fehlen von Techniken, die experimentelle Daten für Fest-Flüssig-Grenzflächen liefern können".

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) ist eine der wenigen Techniken, mit der einzelne Atome sichtbar gemacht und analysiert werden können. Das TEM-Instrument erfordert jedoch eine Hochvakuumumgebung, und die Struktur von Materialien verändert sich im Vakuum. Der Erstautor, Dr. Nick Clark, erklärt: "In unserer Arbeit zeigen wir, dass irreführende Informationen geliefert werden, wenn das atomare Verhalten im Vakuum untersucht wird, anstatt unsere Flüssigkeitszellen zu verwenden."

Professor Roman Gorbachev hat Pionierarbeit bei der Stapelung von 2D-Materialien für die Elektronik geleistet, aber hier hat seine Gruppe dieselben Techniken eingesetzt, um eine "doppelte Graphen-Flüssigkeitszelle" zu entwickeln. Eine 2D-Schicht aus Molybdändisulfid wurde vollständig in Flüssigkeit suspendiert und von Graphenfenstern eingekapselt. Dieses neuartige Design ermöglichte es ihnen, präzise kontrollierte Flüssigkeitsschichten bereitzustellen, so dass beispiellose Videos aufgenommen werden konnten, die zeigen, wie die einzelnen Atome in der Flüssigkeit "schwimmen".

Durch die Analyse der Bewegung der Atome in den Videos und den Vergleich mit theoretischen Erkenntnissen von Kollegen der Universität Cambridge konnten die Forscher die Auswirkungen der Flüssigkeit auf das Verhalten der Atome verstehen. Es wurde festgestellt, dass die Flüssigkeit die Bewegung der Atome beschleunigt und auch ihre bevorzugten Ruheplätze gegenüber dem darunter liegenden Festkörper verändert.

Das Team untersuchte ein Material, das für die grüne Wasserstoffproduktion vielversprechend ist, aber die experimentelle Technologie, die sie entwickelt haben, kann für viele verschiedene Anwendungen genutzt werden.

Dr. Nick Clark sagte: "Dies ist ein Meilenstein und erst der Anfang - wir wollen diese Technik bereits nutzen, um die Entwicklung von Materialien für eine nachhaltige chemische Verarbeitung zu unterstützen, die notwendig ist, um die Netto-Null-Ziele der Welt zu erreichen."

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