石墨烯科学家首次捕捉到原子在液体中“游泳”的图像

诸平

Atoms swimming in liquid thanks to graphene. Credit: The University of Manchester

据英国曼彻斯特大学（University of Manchester）网站2022年7月27日报道，石墨烯科学家首次捕捉到原子在液体中“游动”的图像（Graphene scientists capture first images of atoms 'swimming' in liquid）

来自曼彻斯特大学的石墨烯科学家们利用二维(2D)材料创造了一种新型的“纳米培养皿（nano-petri dish）”，从而创造了一种观察原子在液体中运动的新方法。相关研究结果于2022年7月27日已经在《自然》（Nature）杂志网站发表——Nick Clark, Daniel J. Kelly, Mingwei Zhou, Yi-Chao Zou, Chang Woo Myung, David G. Hopkinson, Christoph Schran, Angelos Michaelides, Roman Gorbachev, Sarah J. Haigh. Tracking single adatoms in liquid in a Transmission Electron Microscope. Nature, Published: 27 July 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05130-0. https://dx.doi.org/10.1038/s41586-022-05130-0

参与此项研究的除了来自英国曼彻斯特大学和剑桥大学(Cambridge University)的研究人员之外，还有来自中国中山大学材料科学与工程学院（School of Materials Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou, PR China）的研究人员。

英国国家石墨烯研究所( National Graphene Institute简称NGI)的研究人员领导的团队，他们使用石墨烯等2D材料的堆叠来捕获液体，以进一步了解液体的存在如何改变固体的行为。该团队第一次捕捉到了单个原子在液体中“游动”的图像。这一发现可能会对未来的绿色技术发展产生广泛影响，比如氢气生产。

当固体表面（solid surface）与液体接触时，两种物质的结构都会因彼此接近而改变。这种固体-液体界面的原子级相互作用控制着清洁发电的电池和燃料电池的行为，也决定着清洁水生产的效率，并支撑着许多生物过程。

上述研究论文的通讯作者之一莎拉·黑格（Sarah J. Haigh）教授评论道:“考虑到这种行为在工业和科学上的广泛重要性，对于原子在与液体接触的表面上的行为，我们仍然需要了解的基础知识之多，真是令人惊讶。信息缺失的原因之一是缺乏能够产生固液界面实验数据（experimental data）的技术。”

透射电子显微镜(Transmission electron microscopy简称TEM)是为数不多的能够观察和分析单个原子（ individual atoms）的技术之一。然而，TEM仪器需要高真空环境，材料的结构在真空中会发生变化。上述论文的第一作者尼克·克拉克（Nick Clark）博士解释说:“在我们的工作中，我们表明，如果原子行为是在真空中研究，而不是使用我们的液体电池，就会提供误导性的信息。”

罗曼·戈尔巴乔夫（Roman Gorbachev）教授是二维材料堆积电子产品的先驱，也是上述论文的共同通讯作者之一。但在这里，他的团队使用同样的技术开发了“双石墨烯液体电池（double graphene liquid cell）”。二维二硫化钼（molybdenum disulfide, MoS₂）层完全悬浮在液体中，并被石墨烯窗口(graphene windows)包裹。这种新颖的设计使他们能够提供精确控制的液体层，从而能够捕捉到前所未有的视频，显示单个原子在液体的包围下“游动”。

通过分析视频中原子的运动方式，并与剑桥大学(Cambridge University)同事提供的理论见解进行比较，研究人员能够了解液体对原子行为的影响。人们发现，液体可以加速原子的运动，还可以改变它们相对于底层固体的首选静止位置。

该团队研究了一种有望用于绿色制氢(green hydrogen production)的材料，但他们开发的实验技术可以用于许多不同的应用。

尼克·克拉克博士说:“这是一个里程碑式的成就，这只是一个开始，我们已经在寻求使用这种技术来支持可持续化学加工材料的开发，以实现世界净零排放的目标。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

How gas nanobubbles accelerate solid-liquid-gas reactions

Abstract

Single atoms or ions on surfaces affect processes from nucleation to electrochemical reactions and heterogeneous catalysis. Transmission electron microscopy (TEM) is a leading approach for visualizing single atoms on a variety of substrates. It conventionally requires high vacuum conditions, but has been developed for in situ imaging in liquid and gaseous environments with a combined spatial and temporal resolution that is unmatched by any other method —notwithstanding concerns about electron beam effects on samples. When imaging in liquid using commercial technologies, electron scattering in the windows enclosing the sample and in the liquid generally limits the achievable resolution to a few nanometres. Graphene liquid cells, on the other hand, have enabled atomic resolution imaging of metal nanoparticles in liquids. Here we show that a double graphene liquid cell, comprised of a central molybdenum disulphide monolayer separated by hexagonal boron nitride spacers from the two enclosing graphene windows, makes it possible to monitor with atomic resolution the dynamics of platinum adatoms on the monolayer in an aqueous salt solution. By imaging over 70,000 single adatom adsorption sites, we compare the site preference and dynamic motion of the adatoms in both a fully hydrated and vacuum state. We find a modified adsorption site distribution and higher diffusivities for the adatoms in liquid phase compared to those in vacuum. This approach paves the way for in situ liquid phase imaging of chemical processes with single atom precision.