人类首次成功拍摄到液体中原子的运动，或引发新的纳米技术革命

2022年7月27日发表在最新一期《自然》杂志上的一篇研究论文显示：英国曼彻斯特大学的研究人员成功拍摄到了溶解在“王水”（王水是浓盐酸和浓硝酸的混合物，能溶解金、铂等不溶性金属）中的铂原子在溶液中漂浮和移动的过程。这是世界上第一个在溶液中成功实现原子可视化的研究项目，并且首次直接观察到溶解在溶液中的原子是如何与固体表面相互作用的。今天小编就来给大家科普一些这方面的知识吧！

铂原子运动GIF动态图

为什么观察溶液中原子的运动如此困难？

在没有任何物体阻挡目标原子的真空中，电子显微镜发射的电子束可以直接被原子反射，于是我们便可以拍摄到原子分辨率级别的影像图了。然而，当目标原子溶解在溶液中时，电子束会发生散射，我们也就无法获得准确的原子运动的影像数据了。因此，在相当长的时间里人们都无从得知溶液中原子的运动行为规律和其他一系列的相关数据。

在这项研究中，研究人员是如何观察到溶解在溶液中的原子的个体运动的？

纳米培养皿示意图

首先，曼彻斯特大学的研究人员将溶解在王水中的铂溶液夹在上下石墨烯材料之间，通过将王水和铂原子封装在石墨烯薄片中，这样就可以抑制电子散射并提高观察精度，就像显微镜的超薄载玻片一样。在这个新颖的“纳米培养皿”中，通过透射电子显微镜 (TEM)，人们便能够观察到在“纳米培养皿”中移动的孤立原子层中的单个原子。

了解溶液中原子的运动规律对人类有什么用途？

部分实验数据图

该研究团队的研究人员表示，了解原子的独特运动将改变人类在化学和生物学方面的一系列基础性认知，例如在电池中发生的化学反应是通过溶解在溶液中的原子引起的连锁反应引起的。因此，如果我们能够了解清楚溶液对原子行为造成的一系列未知的影响，就有可能创造出基于现有技术不可能发生的化学反应，并了解一系列未知的化学现象。当然，如果人们能将化学的研究推进到原子反应的层级，那么这将是继工业革命和信息技术革命之后，可能会出现的另一场将人类科学水平提升到一个新维度的纳米技术革命。

作者 吴磊

来源 郑州市第二届科普征文大赛投稿入选作品

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