Les « nano-aquariums » en graphène révèlent la vie cachée des atomes dans les liquides

Adi Gal-Greenwood

Publiée dans Science, l’équipe a démontré la première imagerie à résolution atomique du comportement des atomes aux interfaces solide-liquide dans une large gamme de solvants non aqueux (organiques). Les techniques d’imagerie liquide à haute résolution précédentes étaient largement limitées à l’eau, mais la nouvelle méthode fonctionne avec une grande variété de liquides au-delà de l’eau, élargissant considérablement l’éventail des processus chimiques pouvant être étudiés à l’échelle atomique, y compris les technologies clés pour la transition énergétique verte.

La microscopie électronique en transmission est l’une des seules techniques capables d’imager des atomes individuels, utilisant un faisceau d’électrons très focalisé pour sonder l’intérieur des structures, mais elle nécessite un vide élevé – la rendant inadaptée à l’étude des processus en milieu liquide. L’équipe de Manchester a surmonté ce défi de longue date en construisant des « nano-aquariums » : des cellules liquides nanométriques fabriquées en scellant de minuscules poches de liquides d’essai, chacune de seulement 100 attolitres, un milliard de fois plus petite qu’une goutte de pluie, entre des fenêtres de graphène ultra-minces de quelques atomes d’épaisseur seulement. Le graphène est suffisamment solide pour protéger le liquide du vide, mais presque complètement transparent, permettant au faisceau d’électrons de passer.

En utilisant un microscope électronique avancé à l’installation nationale « electron Physical Science Imaging Centre » (ePSIC), l’équipe a capturé des vidéos d’atomes d’or à l’interface graphène-liquide pour comparer cinq solvants industriels. Les vidéos montrent des atomes individuels sautant d’un site à l’autre, s’associant par groupes de deux et trois, et s’agrégeant en nanoparticules plus grosses, ce comportement mesuré étant sensible au choix du liquide. Un flux de travail d’analyse automatisé assisté par IA a permis aux chercheurs de « suivre » individuellement plus d’un million d’atomes d’or à travers les cinq solvants, permettant d’extraire des informations statistiquement significatives – loin de la plupart des articles d’imagerie à résolution atomique, qui tirent généralement des conclusions en observant seulement des dizaines ou des centaines d’atomes.

« Observer les atomes individuels se déplacer dans les liquides est incroyablement excitant, comme avoir une place au premier rang pour voir la chimie en action », a déclaré Sam Sullivan‑Allsop, chercheur postdoctoral à Manchester et premier auteur. « En suivant plus d’un million d’atomes, nous pouvons dépasser les instantanés isolés et enfin voir comment les liquides façonnent le comportement atomique. »

« Nos images sont suffisamment nettes pour résoudre à la fois les atomes d’or et le réseau de graphène en dessous », a-t-il ajouté. « Cela nous permet de comprendre non seulement où les atomes se déplacent, mais pourquoi : comment ils interagissent avec la surface et pourquoi ils ont tendance à « s’apparier » en petits agrégats lors de leur mouvement aléatoire. »

Une innovation clé a été de sceller les cellules tout en les maintenant totalement immergées dans le liquide, en utilisant un fin levier céramique pour manipuler les cristaux de graphène. Les approches précédentes souffraient d’une évaporation significative lors de l’étape de scellement, provoquant d’énormes fluctuations dans les concentrations des liquides d’essai. La nouvelle technique permet un contrôle précis de ce qui se trouve à l’intérieur – essentiel pour effectuer des comparaisons équitables entre liquides.

Le professeur Roman Gorbachev, qui a développé le procédé de fabrication, a expliqué : « L’astuce consiste à sceller les cellules alors qu’elles sont immergées dans le liquide lui-même. Faire ainsi signifie que vous savez exactement quel échantillon vous observez – et cela fonctionne pour presque tous les solvants, pas seulement pour l’eau. »

Les atomes d’or individuels sont des catalyseurs prometteurs pour la chimie verte, mais empêcher leur « agglomération » en particules plus grosses a toujours été difficile. En utilisant leur nouvelle plateforme, l’équipe a étudié comment le choix du solvant (qui contrôle la dispersion dans le liquide) et la cinétique de séchage (qui fixe la structure finale) déterminent ensemble si le catalyseur final contient les atomes d’or séparés individuellement nécessaires à une haute performance. En particulier, l’acétone – un solvant commun – combine une faible polarité à un faible point d’ébullition et à une faible tension superficielle, aidant les atomes d’or à rester séparés à la fois pendant la phase liquide et le séchage, tandis que les solvants à point d’ébullition plus élevé (par exemple, la cyclohexanone) et l’eau avaient tendance à produire des particules plus grosses. Les résultats structuraux ont été confirmés par des tests de catalyse menés par des collaborateurs de l’Institut de catalyse de l’Université de Cardiff.

Cependant, la nouvelle technique a un potentiel d’impact significatif dans des domaines autres que la catalyse. De nombreux processus cruciaux, des piles à combustible et batteries à la filtration et à la récupération de métaux précieux à partir des déchets électroniques, se produisent aux interfaces solide-liquide. Jusqu’à présent, les scientifiques s’appuyaient principalement sur des mesures d’ensemble pouvant masquer la complexité à l’échelle atomique ; observer des atomes individuels dans les liquides change la donne.

La professeure Sarah Haigh, qui a dirigé la recherche, a commenté : « Il est remarquable de constater tout ce que nous ne comprenons toujours pas sur le comportement des atomes aux interfaces solide-liquide, étant donné à quel point ces processus sont fondamentaux pour les technologies modernes. Maintenant, nous pouvons regarder ce qui se passe réellement, comprendre pourquoi, et utiliser ces connaissances pour concevoir de meilleurs matériaux et processus. »

La recherche a impliqué une collaboration entre l’Université de Manchester, l’Université de Cardiff, l’Université de Sheffield et l’installation nationale de microscopie ePSIC du synchrotron Diamond, combinant des expertises en microscopie électronique, fabrication de matériaux 2D, catalyse et modélisation informatique. La plateforme étant désormais établie, l’équipe l’applique déjà à des questions liées aux technologies d’énergie propre et à la récupération des métaux à partir des déchets électroniques.

Article : Atomic-resolution imaging of gold species at organic liquid-solid interfaces – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude

Source : Manchester U.