Teadlased püüavad krüptoni aatomeid ühemõõtmelise gaasi moodustamiseks

Taasavaldanud Platon

järgijaid: 0

Teadlased püüavad krüptoni aatomeid ühemõõtmelise gaasi moodustamiseks

Nottingham Newsi töötajate kirjanike poolt

Nottingham UK (SPX) 24. jaanuar 2024

Teadlased on esimest korda edukalt püüdnud krüptooni (Kr) aatomeid, väärisgaasi, süsinik-nanotoru sisse, et moodustada ühemõõtmeline gaas.

Nottinghami ülikooli keemiakooli teadlased kasutasid täiustatud transmissioonelektronmikroskoopia (TEM) meetodeid, et tabada hetk, mil Kr-aatomid ükshaaval üksteisega ühinesid nanokatseklaasi mahutis, mille läbimõõt on pool miljonit korda väiksem kui laius. inimese juustest. Uuring on avaldatud American Chemical Society ajakirjas.

Teadlased on aatomite käitumist uurinud sellest ajast peale, kui püstitati hüpotees, et need on universumi põhiühikud. Aatomite liikumisel on oluline mõju sellistele põhinähtustele nagu temperatuur, rõhk, vedelikuvool ja keemilised reaktsioonid. Traditsiooniliste spektroskoopia meetoditega saab analüüsida suurte aatomirühmade liikumist ja seejärel kasutada keskmiste andmete põhjal nähtusi aatomiskaalal. Kuid need meetodid ei näita, mida üksikud aatomid teatud ajahetkel teevad.

Väljakutse, millega teadlased aatomite pildistamisel silmitsi seisavad, seisneb selles, et need on väga väikesed, vahemikus 0.1–0.4 nanomeetrit, ja võivad liikuda gaasifaasis helikiiruse skaalal väga suure kiirusega, umbes 400 m/s. See muudab töötavate aatomite otsese pildistamise väga keeruliseks ja aatomite pidevate visuaalsete esituste loomine reaalajas on endiselt üks olulisemaid teaduslikke väljakutseid.

Nottinghami ülikooli keemiakooli professor Andrei Khlobystov ütles: "Süsinik-nanotorud võimaldavad meil aatomeid kinni püüda ning neid täpselt positsioneerida ja uurida reaalajas ühe aatomi tasemel. Näiteks püüdsime selles uuringus edukalt kinni väärisgaasi krüptooni (Kr) aatomid. Kuna Kr-l on kõrge aatomnumber, on seda TEM-is lihtsam jälgida kui kergemaid elemente. See võimaldas meil jälgida Kr-aatomite asukohti liikuvate punktidena.

Professor Ute Kaiser, endine materjaliteaduse elektronmikroskoopia töörühma juht, Ulmi ülikooli vanemprofessor, lisas: „Kasutasime protsessi jälgimiseks oma tipptasemel SALVE TEM-i, mis korrigeerib kromaatilisi ja sfäärilisi aberratsioone. Krüptoni aatomite ühinemine moodustab Kr2 paarid. Neid paare hoiab koos van der Waalsi interaktsioon, mis on salapärane jõud, mis juhib molekulide ja aatomite maailma. See on põnev uuendus, kuna see võimaldab meil näha van der Waalsi kaugust kahe aatomi vahel reaalses ruumis. See on märkimisväärne edasiminek keemia ja füüsika valdkonnas, mis võib aidata meil paremini mõista aatomite ja molekulide toimimist.

Teadlased kasutasid üksikute Kr-aatomite transportimiseks nanokatseklaasidesse Buckminsteri fullereene, mis on jalgpallikujulised 60 süsinikuaatomist koosnevad molekulid. Buckminsterfullereeni molekulide ühinemine pesastatud süsinik-nanotorude loomiseks aitas parandada katsete täpsust. Nottinghami ülikooli doktorant Ian Cardillo-Zallo, kes vastutas nende materjalide ettevalmistamise ja analüüsimise eest, ütleb: „Krüptoni aatomeid saab fullereeni õõnsustest vabastada süsiniku puuride liitmisel. Seda on võimalik saavutada kuumutades 1200oC juures või kiiritades elektronkiirega. Aatomitevahelist sidet Kr-aatomite vahel ja nende dünaamilist gaasitaolist käitumist saab uurida ühes TEM-katses.

Rühm on suutnud otseselt jälgida Kr-aatomeid, mis väljuvad fullereeni puuridest, moodustades ühemõõtmelise gaasi. Pärast kande molekulidest vabanemist saavad Kr-aatomid ülikitsa ruumi tõttu liikuda ainult ühes mõõtmes piki nanotoru kanalit. Piiratud Kr-aatomite reas olevad aatomid ei saa üksteisest mööda minna ja on sunnitud kiirust aeglustama nagu liiklusummikutes olevad sõidukid. Meeskond tabas otsustava etapi, kui isoleeritud Kr-aatomid lähevad üle 1D-gaasiks, põhjustades ühe aatomi kontrasti kadumise TEM-is. Sellegipoolest suutsid TEM (STEM) skaneerimise ja elektronide energiakadude spektroskoopia (EELS) täiendavad tehnikad jälgida aatomite liikumist igas nanotorus nende keemiliste allkirjade kaardistamise kaudu.

EPSRC riikliku uurimiskeskuse SuperSTEM direktor professor Quentin Ramasse ütles: "Fokuseerides elektronkiire läbimõõdule, mis on palju väiksem kui aatomi suurus, suudame skaneerida läbi nanokatseklaasi ja salvestada üksikute aatomite spektrid, mis on piiratud aatomiga. , isegi kui need aatomid liiguvad. See annab meile ühemõõtmelise gaasi spektraalkaardi, mis kinnitab, et aatomid on ümber paigutatud ja täidavad kogu vaba ruumi, nagu seda teeks tavaline gaas.

Nottinghami ülikooli nanoskaala ja mikroskaala uurimiskeskuse (nmRC) direktor professor Paul Brown ütles: "Nii palju kui me teame, on see esimene kord, kui väärisgaasi aatomite ahelaid on otse pildistatud, mille tulemusel on loodud ühemõõtmeline gaas tahkes materjalis. Sellistel tugevalt korreleeruvatel aatomisüsteemidel võib olla väga ebatavalisi soojusjuhtivus- ja difusiooniomadusi. Transmissioonelektronmikroskoopia on mänginud otsustavat rolli aatomite dünaamika mõistmisel reaalajas ja otseses ruumis.

Meeskond kavatseb kasutada elektronmikroskoopiat temperatuuriga juhitavate faasiüleminekute ja keemiliste reaktsioonide pildistamiseks ühemõõtmelistes süsteemides, et avada selliste ebatavaliste aine olekute saladused.

Uurimisaruanne:Krüptoni dimeeride ja ahelate aatomiskaala ajalahutusega pildistamine ning üleminek ühemõõtmelisele gaasile

Lingid

Nottinghami ülikool

Kosmosetehnoloogia uudised - rakendused ja uuringud