מדענים לוכדים אטומי קריפטון כדי ליצור גז חד-ממדי

הועלה מחדש על ידי אפלטון

עוקב: 0

מדענים לוכדים אטומי קריפטון ליצירת גז חד-ממדי

מאת צוות כותבי נוטינגהאם ניוז

נוטינגהאם בריטניה (SPX) 24 בינואר 2024

בפעם הראשונה, מדענים לכדו בהצלחה אטומים של קריפטון (Kr), גז אצילי, בתוך ננו-צינורית פחמן כדי ליצור גז חד-ממדי.

מדענים מבית הספר לכימיה של אוניברסיטת נוטינגהאם השתמשו בשיטות מתקדמות של מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) כדי ללכוד את הרגע שבו אטומי Kr חברו יחד, בזה אחר זה, בתוך מיכל "מבחנה ננו" בקוטר קטן פי חצי מיליון מהרוחב של שערה אנושית. המחקר פורסם בכתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה.

התנהגותם של אטומים נחקרה על ידי מדענים מאז שהונחה שהם היחידות הבסיסיות של היקום. לתנועה של אטומים יש השפעה משמעותית על תופעות בסיסיות כמו טמפרטורה, לחץ, זרימת נוזלים ותגובות כימיות. שיטות ספקטרוסקופיה מסורתיות יכולות לנתח את התנועה של קבוצות גדולות של אטומים ולאחר מכן להשתמש בנתונים ממוצעים כדי להסביר תופעות בקנה מידה אטומי. עם זאת, שיטות אלה אינן מראות מה אטומים בודדים עושים בנקודת זמן מסוימת.

האתגר שעומד בפני החוקרים בעת הדמיית אטומים הוא שהם קטנים מאוד, נעים בין 0.1 - 0.4 ננומטר, והם יכולים לנוע במהירויות גבוהות מאוד של בסביבות 400 מטר לשנייה בשלב הגז, בסולם מהירות הקול. זה מקשה מאוד על הדמיה ישירה של אטומים בפעולה, ויצירת ייצוגים חזותיים רציפים של אטומים בזמן אמת נותרה אחד האתגרים המדעיים המשמעותיים ביותר.

פרופסור אנדריי חלוביסטוב, בית הספר לכימיה, אוניברסיטת נוטינגהם, אמר: "ננו-צינוריות פחמן מאפשרות לנו ללכוד אטומים ולמקם ולחקור אותם במדויק ברמת האטום הבודד בזמן אמת. לדוגמה, לכודנו בהצלחה אטומי קריפטון גז אצילי (Kr) במחקר זה. מכיוון של-Kr יש מספר אטומי גבוה, קל יותר לצפות ב-TEM מאשר ליסודות קלים יותר. זה איפשר לנו לעקוב אחר מיקומם של אטומי Kr כנקודות נעות."

פרופסור Ute Kaiser, לשעבר ראש קבוצת האלקטרון מיקרוסקופיה של מדעי החומרים, פרופסור בכיר באוניברסיטת Ulm, הוסיף: "השתמשנו ב-SALVE TEM המתקדם שלנו, המתקן סטיות כרומטיות וכדוריות, כדי לצפות בתהליך. של אטומי קריפטון המתחברים יחד ליצירת זוגות Kr2. הזוגות הללו מוחזקים יחד על ידי האינטראקציה של ואן דר ואלס, שהיא כוח מסתורי השולט בעולם המולקולות והאטומים. זהו חידוש מרגש, שכן הוא מאפשר לנו לראות את המרחק של ואן דר ואלס בין שני אטומים במרחב האמיתי. מדובר בהתפתחות משמעותית בתחום הכימיה והפיזיקה שיכולה לעזור לנו להבין טוב יותר את פעולתם של אטומים ומולקולות".

החוקרים השתמשו בבקמינסטר פולרנים, שהם מולקולות בצורת כדורגל המורכבות מ-60 אטומי פחמן, כדי להעביר אטומי Kr בודדים לתוך מבחנות ננו. ההתאחדות של מולקולות buckminsterfullerene ליצירת ננו-צינוריות פחמן מקוננות עזרה לשפר את דיוק הניסויים. איאן קרדילו-זלו, סטודנט לדוקטורט באוניברסיטת נוטינגהאם, שהיה אחראי על ההכנה והניתוח של החומרים הללו, אומר: "ניתן לשחרר אטומי קריפטון מחללי הפולרן על ידי איחוי כלובי הפחמן. ניתן להשיג זאת על ידי חימום ב-1200oC או הקרנה באמצעות קרן אלקטרונים. ניתן לחקור קשר בין אטומי בין אטומי Kr והתנהגות דמוית גז דינמית שלהם בניסוי TEM יחיד."

הקבוצה הצליחה לצפות ישירות באטומי Kr היוצאים מכלובי פולרן ליצירת גז חד-ממדי. לאחר שהשתחררו ממולקולות הנשא שלהם, אטומי Kr יכולים לנוע רק בממד אחד לאורך תעלת הננו, בשל החלל הצר ביותר. האטומים בשורה של אטומי Kr מוגבלים אינם יכולים לעבור זה את זה ונאלצים להאט, כמו כלי רכב בעומסי תנועה. הצוות תפס את השלב המכריע כאשר אטומי Kr מבודדים עוברים לגז 1D, מה שגורם לניגודיות של אטום בודד להיעלם ב-TEM. אף על פי כן, הטכניקות המשלימות של סריקת הדמיה של TEM (STEM) וספקטרוסקופיה של אובדן אנרגיה אלקטרונים (EELS) הצליחו להתחקות אחר תנועת האטומים בתוך כל ננו-צינור באמצעות מיפוי החתימות הכימיות שלהם.

פרופסור קוונטין ראמאס, מנהל SuperSTEM, מתקן מחקר לאומי של EPSRC, אמר: "על ידי מיקוד קרן האלקטרונים לקוטר הקטן בהרבה מהגודל האטומי, אנו מסוגלים לסרוק את מבחנה הננו ולתעד ספקטרום של אטומים בודדים הכלואים בתוך , גם אם האטומים האלה נעים. זה נותן לנו מפה ספקטרלית של הגז החד-ממדי, המאשרת שהאטומים מורחקים וממלאים את כל החלל הזמין, כפי שגז רגיל היה עושה.'

פרופסור פול בראון, מנהל המרכז למחקר בקנה מידה ננומטרי ומיקרוסקאל (nmRC), אוניברסיטת נוטינגהאם, אמר: "ככל הידוע לנו, זו הפעם הראשונה ששרשרות של אטומי גז אצילים צולמו ישירות, מה שמוביל ליצירת גז חד מימדי בחומר מוצק. מערכות אטומיות בעלות מתאם חזק כאלה עשויות להפגין תכונות מוליכות ודיפוזיה יוצאות דופן ביותר. מיקרוסקופיה אלקטרונית העברה מילאה תפקיד מכריע בהבנת הדינמיקה של אטומים בזמן אמת ובמרחב ישיר״.

הצוות מתכנן להשתמש במיקרוסקופיה אלקטרונית כדי לצלם מעברי פאזה מבוקרים בטמפרטורה ותגובות כימיות במערכות חד-ממדיות, כדי לגלות את הסודות של מצבים חריגים כאלה של חומר.

דו"ח מחקר:הדמיה בקנה מידה אטומי של זמן פתורה של גמדי קריפטון ושרשראות והמעבר לגז חד-ממדי

קישורים קשורים

אוניברסיטת נוטינגהם

חדשות טכנולוגיות חלל - יישומים ומחקר