Dirgryniadau da i’r TRH

‘Yn nhermau gwyddonol, mae’n anodd gorbwysleisio pwysigrwydd yr arwyneb,’ ysgrifenna’r Athro Philip Davies.  

‘Ni allai’r diwydiant lled-ddargludyddion, er enghraifft, fodoli heb wybodaeth a rheolaeth goeth o’r arwyneb. Mae’r diwydiant cemegion, un o bileri eraill y gymdeithas fodern, yn dibynnu ar briodweddau arwynebol gronynnau maint nanomedr sy’n ffurfio’r catalyddion heterogenaidd y mae’r rhan fwyaf o’i gynhyrchion yn cael eu gwneud drostyn nhw. Mae pob rhyngweithiad rhwng deunydd a’i amgylchedd yn digwydd trwy’r arwyneb. 

Mae dadl gref i’w gwneud, felly, mai’r haen o atomau ar arwyneb unrhyw ddeunydd yw’r pwysicaf. Mae astudio ymddygiad atomau arwynebol yn hanfodol ym mron pob agwedd ar dechnoleg. Yr anhawster yw bod cyn lleied ohonynt: mae centimetr ciwbig o ddeunydd yn cynnwys tua 10²³atom ond dim ond tua 10¹⁵ o’r rheini sydd ar yr arwyneb. Efallai ei fod yn swnio fel llawer, ond dim ond 1 o bob 10⁸ o’r cyfanswm yw hynny. Mae gwahaniaethu rhwng yr atomau arwynebol arbennig hynny o atomau “llai diddorol” y swmp yn amhosibl i’r mwyafrif o ddulliau arbrofol. Yn lle, mae gwyddonwyr materol wedi dyfeisio ystod o offer arbennig, “arwynebol-sensitif” i astudio’r amgylchedd pwysicaf hwn. 

Mae Caerdydd wedi bod yn ganolfan ryngwladol ar gyfer astudio arwynebau ers dros 50 mlynedd gydag arbenigedd mewn llawer o’r gwahanol ddulliau arbrofol wedi’u datblygu ac mae arbenigedd penodol mewn sbectrosgopeg ffotoelectron pelydr-x (XPS). Mewn gwirionedd, mae Caerdydd ar hyn o bryd yn arwain Cyfleuster Ymchwil Cenedlaethol Cyngor Ymchwil Peirianneg a Gwyddorau Ffisegol y DU (EPSRC) mewn sbectrosgopeg ffotodrydanol, HarwellXPS, sy’n darparu arbenigedd XPS i’r wlad gyfan. 

Mae ein hanes hir o ragoriaeth mewn gwyddoniaeth arwynebol, ynghyd â’r cyfleusterau gwych a gynigir gan Hyb Ymchwil Drosiadol (TRH) Prifysgol Caerdydd yn y dyfodol, wedi arwain at ‘gyntaf’ arall i Gaerdydd: mae’r EPSRC wedi dyfarnu £1 miliwn i brynu Microsgop Grym Ffoto-anwythol (“PiFM”) y DU.  

Bydd y dechneg newydd hon yn ategu’r cyfleusterau yn y TRH (sy’n cael ei hadeiladu ar Gampws Arloesedd Caerdydd ar hyn o bryd) trwy ddarparu sbectrosgopeg ddirgrynol a thopograffi cydamserol (“siâp” mewn geiriau eraill) arwyneb gyda chydraniad ochrol o ddim ond ychydig nanometr.  

Mae sbectrosgopeg ddirgrynol yn rhoi mewnwelediad newydd hanfodol i gemeg yr arwyneb trwy ddweud wrthym am y bondiau rhwng atomau, ond dim ond yr atomau eu hunain y mae technegau fel XPS yn eu hadnabod. At hynny, mae gallu PiFM i leoli’r cemeg honno o fewn ychydig nanometrau yn gwneud PiFM yn dechneg hynod bwerus ar gyfer ymchwilio i ymddygiad arwynebau yn fwy manwl nag a fu erioed yn bosibl.  

O ran catalyddion, er enghraifft, byddwn yn gallu gweld am y tro cyntaf pa ymatebion sy’n digwydd yng nghyffiniau’r nanoronynnau gweithredol; gallwn hefyd edrych ar ryngweithiadau penodol deunyddiau nanoronynnol ar waliau celloedd: rydym yn gwybod bod rhai mathau o nanoronynnau yn achosi trafferth fawr i gelloedd, am y tro cyntaf byddwn yn gallu astudio wal y gell yng nghyffiniau uniongyrchol y gronyn i ddarganfod pam.   

Mae’r trefniadau PiFM yn nodweddiadol o ddull rhyngddisgyblaethol TRH. Mae’r tîm rheoli yn cynnwys ymchwilwyr o Sefydliad Catalysis Caerdydd a’r Sefydliad Lled-ddargludyddion Cyfansawdd, a fydd yn rhannu’r adeilad TRH, ond hefyd wyddonwyr o’r Ysgolion Biowyddoniaeth, Gwyddorau’r Ddaear a’r Amgylchedd, a Pheirianneg.  

Mewn gwirionedd, mae gwyddonwyr o bron pob ysgol arall yng Ngholegau’r Gwyddorau Ffisegol a Pheirianneg a Gwyddorau Biofeddygol a Bywyd wedi cynnig arbrofion ar gyfer y PiFM.  

Mae gennym hefyd gefnogaeth wych gan ddiwydiant gan gynnwys Johnson Matthey, Delegallera, CMD ac eraill. Bydd yr offeryn yn cael ei gomisiynu ym mis Ebrill 2022, ac unwaith y bydd yn weithredol, bydd yn nodi newid sylweddol wrth fynd ar drywydd gwyddoniaeth arwynebol. 

Gallwch ddilyn ein cynnydd ar wefan bwrpasol www.pifm.uk.’ 

Philip Davies, Athro Cemeg Ffisegol, Sefydliad Catalysis Caerdydd  

Ffigur 1. Delweddau PiFM a gymerwyd yn ystod datblygiad nanoronyn magnetig o haematit (Fe2O3, haearn ocsid).1 Mae delwedd (a) yn dangos topograffi’r nanoronyn, yr ardaloedd mwy disglair sy’n dangos uchder mwy uwchben y cefndir. Mae delwedd (b) yn dangos map cyfatebol o signal dirgrynol ar 910 cm-1. Mae’r donfedd hon yn benodol i goethite (FeOOH) ac felly mae’r ddelwedd yn dangos sut mae tyfiant y gronyn yn cychwyn yng nghanol y gronyn o gnewylliad goethite  

Ffigur 2. Delweddau PiFM wedi’u recordio o glwstwr o nanrods CePO4.2 Mae delwedd (a) yn dangos topograffi’r nanoronynnau, yr ardaloedd mwy disglair sy’n dangos uchder mwy uwchben y cefndir. Mae delwedd (b) yn dangos map cyfatebol o signal dirgrynol sy’n cymharu dwysterau’r copaon 1409 a 1620 cm-1.