العلماء يكشفون عن الصور الأولى لسباحة الذرات في السائل

مدار الساعة -التقطت الكاميرا لأول مرة حركة ذرات مفردة عبر السائل، باستخدام مواد شديدة الرقة بحيث تكون ثنائية الأبعاد بشكل فعال، ولاحظ العلماء ذرات البلاتين "تسبح" على طول سطح تحت ضغوط مختلفة.
وستساعد النتائج على فهم أفضل لكيفية تغيير وجود السائل لسلوك المادة الصلبة التي تكون على اتصال بها - والتي بدورها لها آثار يمكن أن تؤدي إلى تطوير مواد جديدة.
وأوضحت عالمة المواد، سارة هاي، من جامعة مانشستر في المملكة المتحدة: "نظرا للأهمية الصناعية والعلمية الواسعة النطاق لمثل هذا السلوك، فمن المدهش حقا أنه لا يزال يتعين علينا التعرف على أساسيات سلوك الذرات على الأسطح الملامسة للسوائل. وأحد أسباب فقدان المعلومات هو عدم وجود تقنيات قادرة على إنتاج بيانات تجريبية للواجهات الصلبة والسائلة".
وعندما تتلامس المادة الصلبة والسائلة مع بعضهما البعض، يتم تعديل سلوك كلتا المادتين حيث يلتقيان. وهذه التفاعلات مهمة لفهم مجموعة واسعة من العمليات والتطبيقات، مثل نقل المواد داخل أجسامنا أو حركة الأيونات داخل البطاريات.
وكما لاحظ الباحثون، من الصعب للغاية رؤية العالم على المستوى الذري. ويعد المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM)، الذي يستخدم شعاعا من الإلكترونات لإنشاء صورة، أحد التقنيات القليلة المتاحة.
ومع ذلك، كان الحصول على بيانات موثوقة عن سلوك الذرات بهذه الطريقة أمرا صعبا. وكان العمل السابق في خلايا الغرافين السائلة واعدا، لكنه أسفر عن نتائج غير متسقة. وبالإضافة إلى ذلك، يتطلب TEM عادة بيئة فراغ عالية للتشغيل. وهذه مشكلة لأن العديد من المواد لا تتصرف بنفس الطريقة في ظل ظروف ضغط مختلفة.
ولحسن الحظ، تم تطوير شكل من أشكال TEM للعمل في البيئات السائلة والغازية، وهو ما وظفه الفريق لأبحاثهم.
وكانت الخطوة التالية هي إنشاء مجموعة خاصة من "الشرائح" المجهرية لاحتواء الذرات. والغرافين هو المادة المثالية لهذه التجارب، لأنه ثنائي الأبعاد، وقوي وخامل وغير منفذ. وبناء على العمل السابق، طور الفريق خلية سائلة مزدوجة من الغرافين قادرة على العمل مع تقنية TEM الحالية.
وكانت هذه الخلية مليئة بمحلول ماء مالح مضبوط بدقة يحتوي على ذرات بلاتين، والذي لاحظ الفريق أنه يتحرك على سطح صلب من ثاني كبريتيد الموليبدينوم.
وكشفت الصور عن بعض الأفكار الرائعة. على سبيل المثال، تحركت الذرات في السائل أسرع من خارجه، واختارت أماكن مختلفة على السطح الصلب لتستقر.
وبالإضافة إلى ذلك، كانت النتائج داخل وخارج غرفة التفريغ مختلفة، ما يشير إلى أن الاختلافات في ضغط البيئة يمكن أن تؤثر على كيفية تصرف الذرات. وعلاوة على ذلك، فإن نتائج التجارب التي تم الحصول عليها في الغرف المفرغة لن تكون بالضرورة مؤشرا على هذا السلوك في العالم الحقيقي.
وقال مهندس المواد نيك كلارك، من جامعة مانشستر "في عملنا نظهر أنه يتم توفير معلومات مضللة إذا تمت دراسة السلوك الذري في فراغ بدلا من استخدام الخلايا السائلة. وهذا إنجاز هام وهو البداية فقط - نحن نتطلع بالفعل لاستخدام هذه التقنية لدعم تطوير المواد اللازمة للمعالجة الكيميائية المستدامة، اللازمة لتحقيق طموحات العالم الصافية الصفرية".
وقال الباحثون إن المواد التي درسها الفريق ذات صلة بإنتاج الهيدروجين الأخضر، لكن تقنياتهم والنتائج التي حصلوا عليها لها آثار أوسع بكثير.
ونشرت الورقة في مجلة Nature.