Forskere fanger kryptonatomer for at danne en-dimensionel gas

Genudgivet af Platon

Abonnenter: 0

Forskere fanger kryptonatomer for at danne en-dimensionel gas

af Staff Writers for Nottingham News

Nottingham UK (SPX) 24. januar 2024

For første gang har forskere med succes fanget atomer af krypton (Kr), en ædelgas, inde i et kulstofnanorør for at danne en endimensionel gas.

Forskere fra University of Nottingham's School of Chemistry brugte avancerede transmissionselektronmikroskopi (TEM) metoder til at fange det øjeblik, hvor Kr-atomer sluttede sig sammen, et efter et, inde i en "nano-reagensglas"-beholder med diameter en halv million gange mindre end bredden af et menneskehår. Forskningen er blevet offentliggjort i tidsskriftet American Chemical Society.

Atomers adfærd er blevet undersøgt af videnskabsmænd, lige siden det blev antaget, at de er universets grundlæggende enheder. Atomernes bevægelse har betydelig indflydelse på fundamentale fænomener som temperatur, tryk, væskeflow og kemiske reaktioner. Traditionelle spektroskopimetoder kan analysere bevægelsen af store grupper af atomer og derefter bruge gennemsnitsdata til at forklare fænomener på atomær skala. Disse metoder viser dog ikke, hvad individuelle atomer gør på et bestemt tidspunkt.

Udfordringen forskerne står over for, når de afbilder atomer, er, at de er meget små, der spænder fra 0.1 – 0.4 nanometer, og de kan bevæge sig med meget høje hastigheder på omkring 400 m/s i gasfasen, på skalaen af lydens hastighed. Dette gør den direkte billeddannelse af atomer i aktion meget vanskelig, og skabelsen af kontinuerlige visuelle repræsentationer af atomer i realtid er fortsat en af de vigtigste videnskabelige udfordringer.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, sagde: "Carbon nanorør gør os i stand til at indfange atomer og præcist placere og studere dem på enkeltatomniveau i realtid. For eksempel fangede vi med succes ædelgas krypton (Kr) atomer i denne undersøgelse. Fordi Kr har et højt atomnummer, er det lettere at observere i en TEM end lettere grundstoffer. Dette gjorde det muligt for os at spore positionerne af Kr-atomer som bevægelige prikker."

Professor Ute Kaiser, tidligere leder af Electron Microscopy of Materials Science-gruppen, seniorprofessor ved University of Ulm, tilføjede: "Vi brugte vores state-of-the-art SALVE TEM, som korrigerer kromatiske og sfæriske aberrationer, til at observere processen af kryptonatomer, der går sammen og danner Kr2-par. Disse par holdes sammen af van der Waals interaktion, som er en mystisk kraft, der styrer verden af molekyler og atomer. Dette er en spændende innovation, da den giver os mulighed for at se van der Waals-afstanden mellem to atomer i det virkelige rum. Det er en væsentlig udvikling inden for kemi og fysik, der kan hjælpe os med bedre at forstå atomers og molekylers funktion."

Forskerne brugte Buckminster fullerener, som er fodboldformede molekyler bestående af 60 kulstofatomer, til at transportere individuelle Kr-atomer ind i nano-reagensglas. Sammensmeltningen af buckminsterfulleren-molekyler til at skabe indlejrede kulstof-nanorør hjalp med at forbedre præcisionen af eksperimenterne. Ian Cardillo-Zallo, en ph.d.-studerende ved University of Nottingham, som var ansvarlig for forberedelsen og analysen af disse materialer, siger: "Krypton-atomer kan frigives fra fulleren-hulrummene ved at sammensmelte kulstofburene. Dette kan opnås ved at opvarme til 1200oC eller bestråle med en elektronstråle. Interatomisk binding mellem Kr-atomer og deres dynamiske gaslignende adfærd kan begge studeres i et enkelt TEM-eksperiment."

Gruppen har været i stand til direkte at observere Kr-atomer, der forlader fullerenbure for at danne en endimensionel gas. Når først de er befriet fra deres bærermolekyler, kan Kr-atomer kun bevæge sig i én dimension langs nanorørkanalen på grund af det ekstremt smalle rum. Atomerne i rækken af begrænsede Kr-atomer kan ikke passere hinanden og er tvunget til at bremse, ligesom køretøjer i trafikpropper. Holdet fangede det afgørende stadie, da isolerede Kr-atomer overgik til en 1D-gas, hvilket fik enkeltatom-kontrast til at forsvinde i TEM. Ikke desto mindre var de komplementære teknikker til scanning af TEM (STEM) billeddannelse og elektronenergitabsspektroskopi (EELS) i stand til at spore bevægelsen af atomer inden for hvert nanorør gennem kortlægningen af deres kemiske signaturer.

Professor Quentin Ramasse, direktør for SuperSTEM, en EPSRC National Research Facility, sagde: 'Ved at fokusere elektronstrålen til en diameter, der er meget mindre end atomstørrelsen, er vi i stand til at scanne på tværs af nano-reagensglasset og registrere spektre af individuelle atomer indespærret i , selvom disse atomer bevæger sig. Dette giver os et spektralkort over den endimensionelle gas, der bekræfter, at atomerne er delokaliseret og fylder alt tilgængeligt rum, som en normal gas ville gøre.'

Professor Paul Brown, direktør for Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), University of Nottingham, sagde: 'Så vidt vi ved, er det første gang, at kæder af ædelgasatomer er blevet afbildet direkte, hvilket fører til skabelsen af en endimensionel gas i et fast materiale. Sådanne stærkt korrelerede atomsystemer kan udvise meget usædvanlige varmelednings- og diffusionsegenskaber. Transmissionselektronmikroskopi har spillet en afgørende rolle i forståelsen af atomers dynamik i realtid og direkte rum.'

Holdet planlægger at bruge elektronmikroskopi til at afbilde temperaturkontrollerede faseovergange og kemiske reaktioner i endimensionelle systemer for at låse op for hemmelighederne bag sådanne usædvanlige tilstande af stof.

Forskningsrapport:Atomisk skala tidsopløst billeddannelse af krypton dimerer og kæder og overgangen til en endimensionel gas

Relaterede links

University of Nottingham

Rumteknologi Nyheder - applikationer og forskning