Forskere fanger kryptonatomer for å danne endimensjonal gass

Publisert av Platon

Følgere: 0

Forskere fanger kryptonatomer for å danne endimensjonal gass

av Staff Writers for Nottingham News

Nottingham Storbritannia (SPX) 24. januar 2024

For første gang har forskere fanget atomer av krypton (Kr), en edelgass, inne i et nanorør av karbon for å danne en endimensjonal gass.

Forskere fra University of Nottingham's School of Chemistry brukte avanserte transmisjonselektronmikroskopi (TEM) metoder for å fange øyeblikket da Kr-atomer slo seg sammen, ett etter ett, inne i en "nano-reagensrør"-beholder med diameter en halv million ganger mindre enn bredden av et menneskehår. Forskningen er publisert i tidsskriftet til American Chemical Society.

Atferden til atomer har blitt studert av forskere helt siden det ble antatt at de er de grunnleggende enhetene i universet. Bevegelsen av atomer har betydelig innvirkning på fundamentale fenomener som temperatur, trykk, væskestrøm og kjemiske reaksjoner. Tradisjonelle spektroskopimetoder kan analysere bevegelsen til store grupper av atomer og deretter bruke gjennomsnittsdata for å forklare fenomener på atomskala. Disse metodene viser imidlertid ikke hva individuelle atomer gjør på et bestemt tidspunkt.

Utfordringen forskerne møter når de avbilder atomer, er at de er veldig små, som varierer fra 0.1 – 0.4 nanometer, og de kan bevege seg med svært høye hastigheter på rundt 400 m/s i gassfasen, på skalaen til lydhastigheten. Dette gjør direkte avbildning av atomer i aksjon svært vanskelig, og å lage kontinuerlige visuelle representasjoner av atomer i sanntid er fortsatt en av de viktigste vitenskapelige utfordringene.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, sa: "Karbonnanorør gjør oss i stand til å fange atomer og nøyaktig posisjonere og studere dem på enkeltatomnivå i sanntid. For eksempel fanget vi vellykket edelgasskrypton (Kr)-atomer i denne studien. Fordi Kr har et høyt atomnummer, er det lettere å observere i en TEM enn lettere grunnstoffer. Dette tillot oss å spore posisjonene til Kr-atomer som bevegelige prikker."

Professor Ute Kaiser, tidligere leder av Electron Microscopy of Materials Science-gruppen, seniorprofessor ved University of Ulm, la til: "Vi brukte vår toppmoderne SALVE TEM, som korrigerer kromatiske og sfæriske aberrasjoner, for å observere prosessen av kryptonatomer som går sammen for å danne Kr2-par. Disse parene holdes sammen av van der Waals-interaksjonen, som er en mystisk kraft som styrer verden av molekyler og atomer. Dette er en spennende innovasjon, siden den lar oss se van der Waals-avstanden mellom to atomer i det virkelige rommet. Det er en betydelig utvikling innen kjemi og fysikk som kan hjelpe oss å bedre forstå hvordan atomer og molekyler fungerer.»

Forskerne brukte Buckminster fullerenes, som er fotballformede molekyler som består av 60 karbonatomer, for å transportere individuelle Kr-atomer inn i nano-reagensrør. Koalescensen av buckminsterfulleren-molekyler for å lage nestede karbon-nanorør bidro til å forbedre presisjonen til eksperimentene. Ian Cardillo-Zallo, en doktorgradsstudent ved University of Nottingham, som var ansvarlig for forberedelsen og analysen av disse materialene, sier: "Kryptonatomer kan frigjøres fra fullerenhulene ved å smelte sammen karbonburene. Dette kan oppnås ved å varme opp til 1200oC eller bestråle med en elektronstråle. Interatomisk binding mellom Kr-atomer og deres dynamiske gasslignende oppførsel kan begge studeres i et enkelt TEM-eksperiment."

Gruppen har vært i stand til direkte å observere Kr-atomer som kommer ut av fullerenbur for å danne en endimensjonal gass. Når de er frigjort fra sine bærermolekyler, kan Kr-atomer bare bevege seg i én dimensjon langs nanorørkanalen på grunn av det ekstremt trange rommet. Atomene i rekken av begrensede Kr-atomer kan ikke passere hverandre og blir tvunget til å bremse, som kjøretøyer i trafikkstopp. Teamet fanget det avgjørende stadiet da isolerte Kr-atomer gikk over til en 1D-gass, noe som fikk enkeltatomkontrast til å forsvinne i TEM. Ikke desto mindre var de komplementære teknikkene for skanning av TEM (STEM) avbildning og elektronenergitapsspektroskopi (EELS) i stand til å spore bevegelsen til atomer i hvert nanorør gjennom kartleggingen av deres kjemiske signaturer.

Professor Quentin Ramasse, direktør for SuperSTEM, en EPSRC National Research Facility, sa: 'Ved å fokusere elektronstrålen til en diameter som er mye mindre enn atomstørrelsen, er vi i stand til å skanne over nano-reagensrøret og registrere spektra av individuelle atomer innesperret , selv om disse atomene beveger seg. Dette gir oss et spektralkart over den endimensjonale gassen, som bekrefter at atomene er delokalisert og fyller all tilgjengelig plass, slik en vanlig gass ville gjort.'

Professor Paul Brown, direktør for Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), University of Nottingham, sa: "Så vidt vi vet, er dette første gang at kjeder av edelgassatomer har blitt avbildet direkte, noe som fører til opprettelsen av en endimensjonal gass i et fast materiale. Slike sterkt korrelerte atomsystemer kan vise høyst uvanlige varmelednings- og diffusjonsegenskaper. Transmisjonselektronmikroskopi har spilt en avgjørende rolle for å forstå dynamikken til atomer i sanntid og direkte rom.'

Teamet planlegger å bruke elektronmikroskopi for å avbilde temperaturkontrollerte faseoverganger og kjemiske reaksjoner i endimensjonale systemer, for å låse opp hemmelighetene til slike uvanlige tilstander av materie.

Forskningsrapport:Tidsløst avbildning i atomskala av Krypton-dimere og -kjeder og overgangen til en endimensjonal gass

Relaterte linker

University of Nottingham

Nyheter innen romteknologi - applikasjoner og forskning