Científicos toman fotografías de átomos «nadando» en líquido

Científicos de grafeno de la Universidad de Manchester han creado un nuevo ‘petri nanodish’ utilizando materiales bidimensionales (2D) para crear una nueva forma de observar cómo se mueven los átomos en un líquido.

Publicado en Nature, el equipo dirigido por investigadores del Instituto Nacional del Grafeno (NGI) utilizó pilas de materiales bidimensionales como el grafeno para atrapar líquidos y comprender cómo la presencia de un líquido altera el comportamiento de un sólido.

Por primera vez, el equipo pudo capturar imágenes de átomos individuales «nadando» en un líquido. Los hallazgos podrían tener un amplio impacto en el desarrollo futuro de tecnologías verdes como la producción de hidrógeno.

Cuando una superficie sólida entra en contacto con un líquido, ambas sustancias cambian su composición en respuesta a la proximidad de la otra. Las interacciones a escala atómica en las interfaces sólido-líquido controlan el comportamiento de las baterías y las celdas de combustible para generar electricidad limpia, así como también determinan la eficiencia de la generación de agua limpia y respaldan muchos procesos biológicos.

Una de las investigadoras principales, la profesora Sarah Hay, comentó: “Dada la importancia industrial y científica generalizada de tal comportamiento, es realmente sorprendente cuánto nos queda por aprender sobre los aspectos básicos del comportamiento de los átomos en superficies en contacto con líquidos. Una de las razones de la pérdida de información es la falta de tecnologías capaces de producir datos experimentales para interfaces sólido-líquido».

La microscopía electrónica de transmisión (TEM) es una de las pocas tecnologías que permite ver y analizar átomos individuales. Sin embargo, el instrumento TEM requiere un entorno de alto vacío y la estructura del material cambia en el vacío. El primer autor, el Dr. Nick Clark, explicó: «En nuestro trabajo, mostramos que se proporciona información errónea si el comportamiento atómico se estudia en el vacío en lugar de usar células líquidas».

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El profesor Roman Gorbachev fue un pionero en el apilamiento de materiales 2D para la electrónica, pero aquí su grupo utilizó las mismas técnicas para desarrollar una «célula líquida de grafeno doble». Una capa bidimensional de disulfuro de molibdeno se suspendió completamente en líquido y se encapsuló con ventanas de grafeno. Este nuevo diseño les permitió proporcionar capas de líquido controladas con precisión, lo que hizo posible capturar videos sin precedentes que muestran átomos individuales «nadando» rodeados de líquido.

Al analizar cómo se mueven los átomos en los videos y compararlos con los conocimientos teóricos proporcionados por colegas de la Universidad de Cambridge, los investigadores pudieron comprender el efecto del fluido en el comportamiento atómico. Se descubrió que el líquido acelera el movimiento de los átomos y cambia sus posiciones de reposo preferidas con respecto al sólido básico.

El equipo estudió un material que promete producir hidrógeno verde, pero la tecnología experimental que desarrollaron podría usarse en muchas aplicaciones diferentes.

El Dr. Nick Clark dijo: «Este es un logro sobresaliente y es solo el comienzo; ya estamos ansiosos por utilizar esta tecnología para apoyar el desarrollo de materiales para el procesamiento químico sostenible, necesarios para lograr las ambiciones de cero emisiones netas del mundo».

Referencia:

  1. Nick ClarkDaniel J. Kelly, Mingui Zhou, Yi Zhao Zhou, Chang Wu-myung, David J. Hopkinson, Christoph Schran, Angelos Michaelides, Roman Gorbachev, Sarah J. Hai. Rastree adatomos individuales en un fluido en un microscopio electrónico de transmisión. Naturaleza, 2022; DOI: 10.1038 / s41586-022-05130-0
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