دانشمندان اتم‌های کریپتون را به دام انداختند تا گاز یک‌بعدی تشکیل دهند

بازنشر افلاطون

دنبال: 0

دانشمندان اتم های کریپتون را برای تشکیل گاز یک بعدی به دام می اندازند

توسط Staff Writers برای ناتینگهام نیوز

ناتینگهام انگلستان (SPX) 24 ژانویه 2024

برای اولین بار، دانشمندان با موفقیت اتم های کریپتون (Kr)، یک گاز نجیب را در داخل یک نانولوله کربنی به دام انداختند تا یک گاز یک بعدی تشکیل شود.

دانشمندان دانشکده شیمی دانشگاه ناتینگهام از روش‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری پیشرفته (TEM) برای ثبت لحظه‌ای که اتم‌های Kr به یکدیگر متصل می‌شوند، یک به یک در داخل یک ظرف «لوله آزمایش نانو» با قطر نیم میلیون برابر کوچک‌تر از عرض، استفاده کردند. از یک موی انسان این تحقیق در مجله American Chemical Society منتشر شده است.

رفتار اتم ها از زمانی که فرضیه بر این بود که آنها واحدهای اساسی جهان هستند توسط دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته است. حرکت اتم ها تأثیر بسزایی بر پدیده های اساسی مانند دما، فشار، جریان سیال و واکنش های شیمیایی دارد. روش‌های طیف‌سنجی سنتی می‌توانند حرکت گروه‌های بزرگ اتم را تجزیه و تحلیل کنند و سپس از داده‌های میانگین برای توضیح پدیده‌ها در مقیاس اتمی استفاده کنند. با این حال، این روش‌ها نشان نمی‌دهند که اتم‌های منفرد در یک مقطع زمانی خاص چه می‌کنند.

چالشی که محققان در هنگام تصویربرداری از اتم ها با آن روبرو هستند این است که آنها بسیار کوچک هستند، از 0.1 تا 0.4 نانومتر، و می توانند با سرعت های بسیار بالا در حدود 400 متر بر ثانیه در فاز گاز، در مقیاس سرعت صوت حرکت کنند. این امر تصویربرداری مستقیم از اتم ها را در عمل بسیار دشوار می کند و ایجاد نمایش های بصری پیوسته از اتم ها در زمان واقعی یکی از مهم ترین چالش های علمی باقی می ماند.

پروفسور آندری خلبیستوف، دانشکده شیمی دانشگاه ناتینگهام، گفت: «نانولوله‌های کربنی ما را قادر می‌سازند تا اتم‌ها را به دام بیاندازیم و آنها را به‌طور دقیق در سطح تک اتمی در زمان واقعی قرار داده و مطالعه کنیم. به عنوان مثال، ما با موفقیت اتم های کریپتون گاز نجیب (Kr) را در این مطالعه به دام انداختیم. از آنجایی که Kr عدد اتمی بالایی دارد، مشاهده آن در TEM آسانتر از عناصر سبکتر است. این به ما امکان داد تا موقعیت اتم های Kr را به عنوان نقاط متحرک ردیابی کنیم.

پروفسور Ute Kaiser، رئیس سابق گروه میکروسکوپ الکترونی علوم مواد، استاد ارشد دانشگاه اولم، افزود: "ما از پیشرفته ترین SALVE TEM خود که انحرافات کروماتیک و کروی را تصحیح می کند، برای مشاهده فرآیند استفاده کردیم. از اتم های کریپتون که به یکدیگر می پیوندند و جفت های Kr2 را تشکیل می دهند. این جفت ها توسط برهمکنش واندروالس که نیرویی مرموز بر دنیای مولکول ها و اتم ها حاکم است، به هم متصل می شوند. این یک نوآوری هیجان انگیز است، زیرا به ما امکان می دهد فاصله واندروالس بین دو اتم را در فضای واقعی ببینیم. این یک پیشرفت قابل توجه در زمینه شیمی و فیزیک است که می تواند به ما در درک بهتر عملکرد اتم ها و مولکول ها کمک کند.

محققان از فولرن‌های Buckminster، که مولکول‌های فوتبالی شکلی هستند که از ۶۰ اتم کربن تشکیل شده‌اند، برای انتقال اتم‌های Kr به داخل لوله‌های آزمایشی نانو استفاده کردند. ادغام مولکول‌های باکمینسترفولرن برای ایجاد نانولوله‌های کربنی تو در تو به بهبود دقت آزمایش‌ها کمک کرد. ایان کاردیلو-زالو، دانشجوی دکترا در دانشگاه ناتینگهام، که مسئول تهیه و تجزیه و تحلیل این مواد بود، می‌گوید: «اتم‌های کریپتون را می‌توان با همجوشی قفس‌های کربن از حفره‌های فولرن آزاد کرد. این را می توان با گرم کردن در دمای 60 درجه سانتیگراد یا تابش با پرتو الکترونی به دست آورد. پیوند بین اتمی بین اتم های Kr و رفتار دینامیکی گاز مانند آنها را می توان در یک آزمایش TEM مطالعه کرد.

این گروه توانسته‌اند مستقیماً اتم‌های Kr را مشاهده کنند که از قفس فولرن خارج می‌شوند تا یک گاز یک‌بعدی تشکیل دهند. اتم‌های Kr پس از آزاد شدن از مولکول‌های حامل خود، به دلیل فضای بسیار باریک تنها می‌توانند در یک بعد در امتداد کانال نانولوله حرکت کنند. اتم‌های ردیف اتم‌های Kr محدود نمی‌توانند از کنار یکدیگر عبور کنند و مانند وسایل نقلیه در ازدحام ترافیک، مجبور به کاهش سرعت می‌شوند. این تیم مرحله مهمی را که اتم‌های Kr جدا شده به گاز 1 بعدی تبدیل می‌شوند، ثبت کردند و باعث ناپدید شدن کنتراست تک اتمی در TEM شد. با این وجود، تکنیک‌های تکمیلی اسکن تصویربرداری TEM (STEM) و طیف‌سنجی اتلاف انرژی الکترون (EELS) قادر به ردیابی حرکت اتم‌ها در داخل هر نانولوله از طریق نقشه‌برداری از امضاهای شیمیایی آن‌ها بودند.

پروفسور کوئنتین راماس، مدیر SuperSTEM، یک مرکز تحقیقاتی ملی EPSRC، گفت: با متمرکز کردن پرتو الکترونی به قطری بسیار کوچکتر از اندازه اتمی، می‌توانیم در سراسر نانولوله آزمایش اسکن کنیم و طیف اتم‌های منفرد را که در داخل آن محصور شده‌اند را ثبت کنیم. ، حتی اگر این اتم ها در حال حرکت باشند. این یک نقشه طیفی از گاز یک بعدی را به ما می دهد، که تایید می کند که اتم ها جابجا شده اند و تمام فضای موجود را پر می کنند، همانطور که یک گاز معمولی انجام می دهد.

پروفسور پل براون، مدیر مرکز تحقیقات نانومقیاس و میکرومقیاس (nmRC)، دانشگاه ناتینگهام، گفت: تا آنجا که ما می دانیم، این اولین بار است که زنجیره ای از اتم های گاز نجیب به طور مستقیم تصویربرداری شده است که منجر به ایجاد یک گاز یک بعدی در یک ماده جامد. چنین سیستم‌های اتمی شدیداً همبسته‌ای ممکن است خواص رسانایی گرمایی و انتشار بسیار غیرعادی از خود نشان دهند. میکروسکوپ الکترونی عبوری نقش مهمی در درک دینامیک اتم ها در زمان واقعی و فضای مستقیم ایفا کرده است.

این تیم قصد دارد از میکروسکوپ الکترونی برای تصویربرداری از انتقال فازهای کنترل‌شده با دمای و واکنش‌های شیمیایی در سیستم‌های یک بعدی استفاده کند تا اسرار چنین حالت‌های غیرعادی ماده را باز کند.

گزارش تحقیق:تصویربرداری با تفکیک زمانی در مقیاس اتمی از دایمرها و زنجیرهای کریپتون و انتقال به گاز یک بعدی

لینک های مرتبط

دانشگاه ناتینگهام

اخبار فناوری فضایی - برنامه ها و تحقیقات