يلتقط علماء الجرافين أول صور للذرات “تسبح” في السائل

ابتكر علماء الجرافين من جامعة مانشستر “طبق بتري نانوي” جديد باستخدام مواد ثنائية الأبعاد (2D) لإنشاء طريقة جديدة لمراقبة كيفية تحرك الذرات في السائل.

النشر في المجلة طبيعة سجية، استخدم الفريق بقيادة باحثين من المعهد الوطني للجرافين (NGI) أكوامًا من المواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين لاحتجاز السائل من أجل فهم كيفية تغيير وجود السائل في سلوك المادة الصلبة.

تمكن الفريق من التقاط صور لذرات مفردة “تسبح” في السائل لأول مرة. يمكن أن يكون للنتائج تأثير واسع النطاق على التطوير المستقبلي للتقنيات الخضراء مثل إنتاج الهيدروجين.

عندما سطح صلب على اتصال مع سائل ، كلتا المادتين تغيران تكوينهما استجابة لقرب الآخر. تتحكم تفاعلات النطاق الذري في الواجهات الصلبة والسائلة في سلوك البطاريات وخلايا الوقود لتوليد الكهرباء النظيفة ، فضلاً عن تحديد كفاءة توليد المياه النظيفة ودعم العديد من العمليات البيولوجية.

علقت إحدى الباحثين الرئيسيين ، الأستاذة سارة هاي ، قائلة: “نظرًا للأهمية الصناعية والعلمية الواسعة النطاق لمثل هذا السلوك ، فمن المدهش حقًا كم لا يزال يتعين علينا تعلمه حول أساسيات سلوك الذرات على الأسطح الملامسة للسوائل. واحد من أسباب فقدان المعلومات هو عدم وجود تقنيات قادرة على تحقيق بيانات تجريبية للواجهات الصلبة والسائلة “.

المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) هو أحد التقنيات القليلة التي تسمح بذلك ذرات فردية ليتم رؤيتها وتحليلها. ومع ذلك ، تتطلب أداة TEM بيئة عالية الفراغ ، ويتغير هيكل المواد في الفراغ. أوضح المؤلف الأول الدكتور نيك كلارك ، “في عملنا نظهر أن المعلومات المضللة يتم توفيرها إذا تمت دراسة السلوك الذري في الفراغ بدلاً من استخدام الخلايا السائلة”.

كان البروفيسور رومان جورباتشوف رائدًا في تكديس المواد ثنائية الأبعاد للإلكترونيات ولكن هنا استخدمت مجموعته نفس التقنيات لتطوير “خلية جرافين سائلة مزدوجة”. طبقة ثنائية الأبعاد من ثاني كبريتيد الموليبدينوم تم تعليقه بالكامل في سائل ومغلف بـ الجرافين شبابيك. سمح لهم هذا التصميم الجديد بتوفير طبقات سائلة يتم التحكم فيها بدقة ، مما يتيح التقاط مقاطع فيديو غير مسبوقة تُظهر الذرات المفردة “تسبح” حولها ، محاطة بسائل.

من خلال تحليل كيفية تحرك الذرات في مقاطع الفيديو ومقارنتها بالرؤى النظرية التي قدمها الزملاء في جامعة كامبريدج ، تمكن الباحثون من فهم تأثير السائل على السلوك الذري. تم العثور على السائل لتسريع حركة الذرات وكذلك تغيير مواقع الراحة المفضلة لديهم فيما يتعلق بالمادة الصلبة الأساسية.

درس الفريق مادة واعدة للون الأخضر إنتاج الهيدروجين لكن التكنولوجيا التجريبية التي طوروها يمكن استخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة.

قال الدكتور نيك كلارك: “هذا إنجاز بارز وهو البداية فقط – نحن نتطلع بالفعل لاستخدام هذه التقنية لدعم تطوير المواد اللازمة للمعالجة الكيميائية المستدامة ، اللازمة لتحقيق طموحات العالم الصافية الصفرية.”