Οι επιστήμονες παγιδεύουν τα άτομα κρυπτών για να σχηματίσουν μονοδιάστατο αέριο

Αναδημοσίευση από τον Πλάτωνα

Ακολουθούν: 0

Οι επιστήμονες παγιδεύουν άτομα κρυπτών για να σχηματίσουν μονοδιάστατο αέριο

από Staff Writers για Nottingham News

Nottingham UK (SPX) 24 Ιανουαρίου 2024

Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες παγίδευσαν με επιτυχία άτομα κρυπτόν (Kr), ενός ευγενούς αερίου, μέσα σε έναν νανοσωλήνα άνθρακα για να σχηματίσουν ένα μονοδιάστατο αέριο.

Επιστήμονες από τη Σχολή Χημείας του Πανεπιστημίου του Nottingham χρησιμοποίησαν προηγμένες μεθόδους ηλεκτρονικής μικροσκοπίας μετάδοσης (TEM) για να καταγράψουν τη στιγμή που τα άτομα Kr ενώθηκαν, ένα προς ένα, μέσα σε ένα δοχείο «νανοδοκιμαστικό σωλήνα» με διάμετρο μισό εκατομμύριο φορές μικρότερη από το πλάτος. μιας ανθρώπινης τρίχας. Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο περιοδικό της American Chemical Society.

Η συμπεριφορά των ατόμων έχει μελετηθεί από τους επιστήμονες από τότε που διατυπώθηκε η υπόθεση ότι είναι οι βασικές μονάδες του σύμπαντος. Η κίνηση των ατόμων έχει σημαντική επίδραση σε θεμελιώδη φαινόμενα όπως η θερμοκρασία, η πίεση, η ροή του υγρού και οι χημικές αντιδράσεις. Οι παραδοσιακές μέθοδοι φασματοσκοπίας μπορούν να αναλύσουν την κίνηση μεγάλων ομάδων ατόμων και στη συνέχεια να χρησιμοποιήσουν δεδομένα μέσου όρου για να εξηγήσουν φαινόμενα σε ατομική κλίμακα. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι δεν δείχνουν τι κάνουν μεμονωμένα άτομα σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή.

Η πρόκληση που αντιμετωπίζουν οι ερευνητές όταν απεικονίζουν τα άτομα είναι ότι είναι πολύ μικρά, κυμαίνονται από 0.1 έως 0.4 νανόμετρα, και μπορούν να κινούνται με πολύ υψηλές ταχύτητες περίπου 400 m/s στην αέρια φάση, στην κλίμακα της ταχύτητας του ήχου. Αυτό καθιστά την άμεση απεικόνιση των ατόμων σε δράση πολύ δύσκολη και η δημιουργία συνεχών οπτικών αναπαραστάσεων ατόμων σε πραγματικό χρόνο παραμένει μια από τις σημαντικότερες επιστημονικές προκλήσεις.

Ο καθηγητής Andrei Khlobystov, Σχολή Χημείας του Πανεπιστημίου του Nottingham, δήλωσε: «Οι νανοσωλήνες άνθρακα μας επιτρέπουν να παγιδεύουμε άτομα και να τα τοποθετούμε και να τα μελετάμε με ακρίβεια σε επίπεδο ενός ατόμου σε πραγματικό χρόνο. Για παράδειγμα, παγιδεύσαμε επιτυχώς άτομα ευγενούς αερίου κρυπτονίου (Kr) σε αυτή τη μελέτη. Επειδή το Kr έχει υψηλό ατομικό αριθμό, είναι ευκολότερο να παρατηρηθεί σε ένα TEM από τα ελαφρύτερα στοιχεία. Αυτό μας επέτρεψε να παρακολουθήσουμε τις θέσεις των ατόμων Kr ως κινούμενες κουκκίδες».

Ο καθηγητής Ute Kaiser, πρώην επικεφαλής της ομάδας Electron Microscopy of Materials Science, ανώτερος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Ulm, πρόσθεσε: «Χρησιμοποιήσαμε το υπερσύγχρονο SALVE TEM, το οποίο διορθώνει χρωματικές και σφαιρικές εκτροπές, για να παρατηρήσουμε τη διαδικασία ατόμων κρυπτών που ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ζεύγη Kr2. Αυτά τα ζεύγη συγκρατούνται από την αλληλεπίδραση van der Waals, η οποία είναι μια μυστηριώδης δύναμη που διέπει τον κόσμο των μορίων και των ατόμων. Αυτή είναι μια συναρπαστική καινοτομία, καθώς μας επιτρέπει να δούμε την απόσταση van der Waals μεταξύ δύο ατόμων στον πραγματικό χώρο. Είναι μια σημαντική εξέλιξη στον τομέα της χημείας και της φυσικής που μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τη λειτουργία των ατόμων και των μορίων».

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τα φουλλερένια Buckminster, τα οποία είναι μόρια σε σχήμα ποδοσφαίρου που αποτελούνται από 60 άτομα άνθρακα, για να μεταφέρουν μεμονωμένα άτομα Kr σε νανο δοκιμαστικούς σωλήνες. Η συνένωση μορίων buckminsterfullerene για τη δημιουργία ένθετων νανοσωλήνων άνθρακα βοήθησε στη βελτίωση της ακρίβειας των πειραμάτων. Ο Ian Cardillo-Zallo, ένας διδάκτορας στο Πανεπιστήμιο του Nottingham, ο οποίος ήταν υπεύθυνος για την προετοιμασία και την ανάλυση αυτών των υλικών, λέει: «Τα άτομα κρυπτών μπορούν να απελευθερωθούν από τις κοιλότητες φουλλερενίου με τη σύντηξη των κλωβών άνθρακα. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με θέρμανση στους 1200oC ή με ακτινοβολία με δέσμη ηλεκτρονίων. Ο διατομικός δεσμός μεταξύ των ατόμων Kr και η δυναμική συμπεριφορά τους που μοιάζει με αέριο μπορούν και οι δύο να μελετηθούν σε ένα μόνο πείραμα TEM.

Η ομάδα μπόρεσε να παρατηρήσει άμεσα άτομα Kr που εξέρχονται από κλωβούς φουλλερενίου για να σχηματίσουν ένα μονοδιάστατο αέριο. Μόλις απελευθερωθούν από τα μόρια-φορείς τους, τα άτομα Kr μπορούν να κινηθούν μόνο σε μία διάσταση κατά μήκος του καναλιού νανοσωλήνων λόγω του εξαιρετικά στενού χώρου. Τα άτομα στη σειρά των περιορισμένων ατόμων Kr δεν μπορούν να περάσουν το ένα το άλλο και αναγκάζονται να επιβραδύνουν, όπως τα οχήματα σε κυκλοφοριακή συμφόρηση. Η ομάδα κατέλαβε το κρίσιμο στάδιο όταν μεμονωμένα άτομα Kr μεταβαίνουν σε αέριο 1D, προκαλώντας την εξαφάνιση της αντίθεσης ενός ατόμου στο TEM. Ωστόσο, οι συμπληρωματικές τεχνικές της απεικόνισης TEM (STEM) και της φασματοσκοπίας απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων (EELS) μπόρεσαν να ανιχνεύσουν την κίνηση των ατόμων μέσα σε κάθε νανοσωλήνα μέσω της χαρτογράφησης των χημικών τους υπογραφών.

Ο καθηγητής Quentin Ramasse, Διευθυντής του SuperSTEM, μιας Εθνικής Ερευνητικής Εγκατάστασης EPSRC, δήλωσε: «Εστιάζοντας τη δέσμη ηλεκτρονίων σε διάμετρο πολύ μικρότερη από το ατομικό μέγεθος, είμαστε σε θέση να σαρώσουμε σε όλο τον νανο δοκιμαστικό σωλήνα και να καταγράψουμε φάσματα μεμονωμένων ατόμων που περιορίζονται μέσα , ακόμα κι αν αυτά τα άτομα κινούνται. Αυτό μας δίνει έναν φασματικό χάρτη του μονοδιάστατου αερίου, επιβεβαιώνοντας ότι τα άτομα έχουν μετατοπιστεί και γεμίζουν όλο τον διαθέσιμο χώρο, όπως θα έκανε ένα κανονικό αέριο.

Ο καθηγητής Paul Brown, διευθυντής του Ερευνητικού Κέντρου Νανοκλίμακας και Μικροκλίμακας (nmRC), Πανεπιστήμιο του Nottingham, δήλωσε: «Απ' όσο γνωρίζουμε, αυτή είναι η πρώτη φορά που αλυσίδες ατόμων ευγενών αερίων απεικονίζονται απευθείας, οδηγώντας στη δημιουργία ένα μονοδιάστατο αέριο σε στερεό υλικό. Τέτοια ισχυρά συσχετισμένα ατομικά συστήματα μπορεί να παρουσιάζουν εξαιρετικά ασυνήθιστες ιδιότητες αγωγιμότητας και διάχυσης θερμότητας. Το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης έχει διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στην κατανόηση της δυναμικής των ατόμων σε πραγματικό χρόνο και άμεσο χώρο».

Η ομάδα σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει ηλεκτρονικό μικροσκόπιο για να απεικονίσει ελεγχόμενες με θερμοκρασία μεταπτώσεις φάσης και χημικές αντιδράσεις σε μονοδιάστατα συστήματα, για να ξεκλειδώσει τα μυστικά τέτοιων ασυνήθιστων καταστάσεων της ύλης.

Αναφορά έρευνας:Ατομική Κλίμακα Χρονική Απεικόνιση διμερών και αλυσίδων κρυπτών και η μετάβαση σε μονοδιάστατο αέριο

Σχετικοί Σύνδεσμοι

University of Nottingham

Ειδήσεις Διαστημικής Τεχνολογίας - Εφαρμογές και Έρευνα