Tutkijat vangitsevat kryptonatomit muodostamaan yksiulotteisen kaasun

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Tiedemiehet vangitsevat kryptonatomit muodostaen yksiulotteisen kaasun

kirjoittanut Staff Writers Nottingham Newsille

Nottingham UK (SPX) 24

Ensimmäistä kertaa tutkijat ovat onnistuneet vangitsemaan kryptonin (Kr), jalokaasun, atomeja hiilinanoputken sisään muodostaen yksiulotteisen kaasun.

Nottinghamin yliopiston kemian koulun tutkijat käyttivät edistyneitä transmissioelektronimikroskoopin (TEM) menetelmiä vangitakseen hetken, jolloin Kr-atomit liittyivät yhteen yksitellen "nanokoeputken" säiliön sisällä, jonka halkaisija on puoli miljoonaa kertaa pienempi kuin leveys. ihmisen hiuksista. Tutkimus on julkaistu American Chemical Societyn lehdessä.

Tiedemiehet ovat tutkineet atomien käyttäytymistä siitä lähtien, kun niiden oletettiin olevan maailmankaikkeuden perusyksiköitä. Atomien liikkeellä on merkittävä vaikutus perusilmiöihin, kuten lämpötilaan, paineeseen, nestevirtaukseen ja kemiallisiin reaktioihin. Perinteisillä spektroskopiamenetelmillä voidaan analysoida suurten atomiryhmien liikkeitä ja sitten käyttää keskiarvoista tietoa atomimittakaavan ilmiöiden selittämiseen. Nämä menetelmät eivät kuitenkaan näytä, mitä yksittäiset atomit tekevät tietyllä hetkellä.

Tutkijoiden haasteena atomien kuvantamisessa on, että ne ovat hyvin pieniä, 0.1–0.4 nanometriä, ja ne voivat liikkua kaasufaasissa erittäin suurilla nopeuksilla, noin 400 m/s, äänen nopeuden mittakaavassa. Tämä tekee toiminnassa olevien atomien suorasta kuvantamisesta erittäin vaikeaa, ja atomien jatkuvan visuaalisen esityksen luominen reaaliajassa on edelleen yksi merkittävimmistä tieteellisistä haasteista.

Professori Andrei Khlobystov, Nottinghamin yliopiston kemian korkeakoulu, sanoi: "Hiilinanoputkien avulla voimme vangita atomeja ja paikantaa ja tutkia niitä tarkasti yhden atomin tasolla reaaliajassa. Esimerkiksi onnistuimme vangitsemaan jalokaasun krypton (Kr) atomeja tässä tutkimuksessa. Koska Kr:llä on korkea atomiluku, se on helpompi havaita TEM:ssä kuin kevyempiä elementtejä. Tämä antoi meille mahdollisuuden seurata Kr-atomien sijaintia liikkuvina pisteinä."

Professori Ute Kaiser, elektronimikroskooppimateriaalien ryhmän entinen johtaja, Ulmin yliopiston vanhempi professori, lisäsi: "Käytimme prosessin havainnointiin uusinta SALVE TEM -tekniikkaamme, joka korjaa kromaattisia ja pallomaisia poikkeamia. krypton-atomien liittyessä yhteen muodostaen Kr2-pareja. Näitä pareja pitää yhdessä van der Waalsin vuorovaikutus, joka on mystinen voima, joka hallitsee molekyylien ja atomien maailmaa. Tämä on jännittävä innovaatio, koska sen avulla voimme nähdä van der Waalsin etäisyyden kahden atomin välillä todellisessa avaruudessa. Se on merkittävä kehitys kemian ja fysiikan alalla, joka voi auttaa meitä ymmärtämään paremmin atomien ja molekyylien toimintaa."

Tutkijat käyttivät Buckminsterin fullereeneja, jotka ovat jalkapallon muotoisia molekyylejä, jotka koostuvat 60 hiiliatomista, kuljettamaan yksittäisiä Kr-atomeja nanokoeputkiin. Buckminsterfullereenimolekyylien yhdistäminen sisäkkäisten hiilinanoputkien luomiseksi auttoi parantamaan kokeiden tarkkuutta. Ian Cardillo-Zallo, Nottinghamin yliopiston tohtoriopiskelija, joka vastasi näiden materiaalien valmistelusta ja analysoinnista, sanoo: "Kryptoniatomit voidaan vapauttaa fullereenionteloista yhdistämällä hiilihäkit. Tämä voidaan saavuttaa kuumentamalla 1200 oC:ssa tai säteilyttämällä elektronisuihkulla. Kr-atomien välistä atomien välistä sidosta ja niiden dynaamista kaasumaista käyttäytymistä voidaan tutkia yhdessä TEM-kokeessa.

Ryhmä on pystynyt tarkkailemaan suoraan Kr-atomeja, jotka poistuvat fullereenihäkeistä muodostaen yksiulotteisen kaasun. Kun Kr-atomit on vapautettu kantajamolekyyleistään, ne voivat liikkua vain yhdessä ulottuvuudessa nanoputkikanavaa pitkin erittäin kapean tilan vuoksi. Pakotettujen Kr-atomien rivissä olevat atomit eivät voi ohittaa toisiaan ja joutuvat hidastamaan vauhtia, kuten liikenneruuhkassa olevat ajoneuvot. Tiimi vangitsi ratkaisevan vaiheen, kun eristetyt Kr-atomit muuttuvat 1D-kaasuksi, jolloin yhden atomin kontrasti katosi TEM:stä. Siitä huolimatta täydentävät tekniikat pyyhkäisyllä TEM (STEM) -kuvauksella ja elektronienergiahäviöspektroskopialla (EELS) pystyivät jäljittämään atomien liikkeet kussakin nanoputkessa kartoittamalla niiden kemialliset allekirjoitukset.

Professori Quentin Ramasse, EPSRC:n kansallisen tutkimuslaitoksen SuperSTEM:n johtaja, sanoi: "Fokusoimalla elektronisuihkun halkaisijaan, joka on paljon pienempi kuin atomikoko, pystymme skannaamaan nanokoeputken poikki ja tallentamaan sen sisällä olevien yksittäisten atomien spektrejä. , vaikka nämä atomit liikkuisivat. Tämä antaa meille yksiulotteisen kaasun spektrikartan, joka vahvistaa, että atomit ovat siirrettyinä ja täyttävät kaiken käytettävissä olevan tilan, kuten normaali kaasu tekisi.

Professori Paul Brown, Nottinghamin yliopiston Nanoscale and Microscale Research Centerin (nmRC) johtaja, sanoi: "Sikäli kuin tiedämme, tämä on ensimmäinen kerta, kun jalokaasuatomien ketjuja on kuvattu suoraan, mikä on johtanut yksiulotteinen kaasu kiinteässä materiaalissa. Tällaisilla vahvasti korreloiduilla atomijärjestelmillä voi olla erittäin epätavallisia lämmönjohtavuus- ja diffuusio-ominaisuuksia. Transmissioelektronimikroskoopilla on ollut ratkaiseva rooli atomien dynamiikan ymmärtämisessä reaaliajassa ja suorassa avaruudessa.

Ryhmä aikoo käyttää elektronimikroskopiaa kuvaamaan lämpötilaohjattuja faasimuutoksia ja kemiallisia reaktioita yksiulotteisissa järjestelmissä avatakseen tällaisten epätavallisten aineen tilojen salaisuudet.

Tutkimusraportti:Kryptonidimeerien ja -ketjujen atomimittakaavainen aikaresoluutiokuvaus ja siirtyminen yksiulotteiseen kaasuun

Linkkejä

University of Nottingham

Avaruusteknologian uutiset - sovellukset ja tutkimus