科学者がクリプトン原子をトラップして一次元ガスを形成

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科学者はクリプトン原子をトラップして一次元のガスを形成する

ノッティンガムニュースのスタッフライターによる

英国ノッティンガム (SPX) 24 年 2024 月 XNUMX 日

科学者たちは初めて、希ガスであるクリプトン（Kr）の原子をカーボンナノチューブ内に閉じ込めて一次元ガスを形成することに成功した。

ノッティンガム大学化学部の科学者らは、高度な透過型電子顕微鏡（TEM）法を用いて、直径が幅の50万分の1の「ナノ試験管」容器内でKr原子が一つずつ結合する瞬間を捉えた。人間の髪の毛の。この研究は米国化学会誌に掲載された。

原子が宇宙の基本単位であるという仮説が立てられて以来、原子の挙動は科学者によって研究されてきました。原子の動きは、温度、圧力、流体の流れ、化学反応などの基本的な現象に大きな影響を与えます。従来の分光法では、大規模な原子グループの動きを分析し、平均化されたデータを使用して現象を原子スケールで説明できます。ただし、これらの方法では、特定の時点で個々の原子が何をしているのかがわかりません。

原子をイメージングする際に研究者が直面する課題は、原子が 0.1 ～ 0.4 ナノメートルと非常に小さく、気相中では音速程度の約 400 m/s という非常に高速で移動できることです。このため、動作中の原子を直接イメージングすることが非常に困難になっており、原子をリアルタイムで連続的に視覚的に表現することは、依然として最も重要な科学的課題の XNUMX つです。

ノッティンガム大学化学部のアンドレイ・クロビストフ教授は次のように述べています。「カーボンナノチューブを使用すると、原子を捕捉し、リアルタイムで原子を正確に位置決めして、単一原子レベルで研究することができます。たとえば、この研究では希ガスのクリプトン（Kr）原子を捕捉することに成功しました。 Kr は原子番号が大きいため、軽い元素よりも TEM での観察が容易です。これにより、Kr 原子の位置を移動するドットとして追跡できるようになりました。」

材料科学の電子顕微鏡グループの元責任者であり、ウルム大学の上級教授であるユート・カイザー教授は次のように付け加えました。クリプトン原子が結合して Kr2 ペアを形成します。これらのペアは、分子と原子の世界を支配する神秘的な力であるファンデルワールス相互作用によって結合されています。これは、実空間で XNUMX つの原子間のファンデルワールス距離を確認できるため、エキサイティングなイノベーションです。これは化学と物理学の分野における重要な進歩であり、原子や分子の働きをより深く理解するのに役立ちます。」

研究者らは、60個の炭素原子からなるフットボール型の分子であるバックミンスターフラーレンを利用して、個々のKr原子をナノ試験管に輸送した。バックミンスターフラーレン分子が合体して入れ子状のカーボンナノチューブが形成されると、実験の精度が向上しました。これらの材料の調製と分析を担当したノッティンガム大学の博士課程の学生、イアン・カーディロ・ザロ氏は次のように述べています。これは、1200℃で加熱するか、電子ビームを照射することで実現できます。 Kr 原子間の原子間結合とその動的ガス状挙動の両方を XNUMX 回の TEM 実験で研究できます。」

同グループは、Kr原子がフラーレンケージから出て一次元ガスを形成する様子を直接観察することができた。 Kr 原子は、キャリア分子から解放されると、非常に狭い空間のため、ナノチューブチャネルに沿って 1 次元にのみ移動できます。拘束された Kr 原子の列にある原子は互いにすれ違うことができず、渋滞中の車両のように速度を落とさざるを得ません。研究チームは、孤立した Kr 原子が XNUMXD ガスに移行し、TEM 内で単一原子のコントラストが消失する重要な段階を捉えました。それにもかかわらず、走査型 TEM (STEM) イメージングと電子エネルギー損失分光法 (EELS) の相補的な技術により、化学的特徴のマッピングを通じて各ナノチューブ内の原子の動きを追跡することができました。

EPSRC国立研究施設SuperSTEMの所長であるクエンティン・ラマッセ教授は、「電子ビームを原子サイズよりもはるかに小さい直径に集束させることで、ナノ試験管全体を走査し、その中に閉じ込められた個々の原子のスペクトルを記録することができる」と述べた。たとえこれらの原子が動いていたとしても。これにより、一次元ガスのスペクトルマップが得られ、通常のガスと同様に、原子が非局在化され、利用可能な空間をすべて満たしていることが確認されます。

ノッティンガム大学ナノスケール・マイクロスケール研究センター(nmRC)所長のポール・ブラウン教授は、「私たちが知る限り、希ガス原子の鎖が直接画像化されたのはこれが初めてであり、固体材料中の一次元気体。このような強く相関した原子系は、非常に異常な熱伝導特性と拡散特性を示す可能性があります。透過型電子顕微鏡は、リアルタイムおよび直接空間における原子のダイナミクスを理解する上で重要な役割を果たしてきました。

研究チームは、電子顕微鏡を使用して一次元系における温度制御された相転移や化学反応を画像化し、そのような異常な物質状態の秘密を解き明かすことを計画している。

調査報告書：クリプトン二量体と鎖および一次元気体への転移の原子スケール時間分解イメージング

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