Naukowcy zatrzymują atomy Kryptonu, tworząc jednowymiarowy gaz

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Naukowcy zatrzymują atomy kryptonu, tworząc jednowymiarowy gaz

przez Staff Writers dla Nottingham News

Nottingham, Wielka Brytania (SPX), 24 stycznia 2024 r

Po raz pierwszy naukowcom udało się uwięzić atomy kryptonu (Kr), gazu szlachetnego, wewnątrz nanorurki węglowej, tworząc jednowymiarowy gaz.

Naukowcy z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Nottingham wykorzystali zaawansowane metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), aby uchwycić moment, w którym atomy Kr łączą się ze sobą, jeden po drugim, w pojemniku z „nano probówką” o średnicy pół miliona razy mniejszej niż szerokość ludzkiego włosa. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie American Chemical Society.

Naukowcy badają zachowanie atomów od chwili, gdy postawiono hipotezę, że są one podstawowymi jednostkami wszechświata. Ruch atomów ma istotny wpływ na podstawowe zjawiska, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ płynu i reakcje chemiczne. Tradycyjne metody spektroskopii umożliwiają analizę ruchu dużych grup atomów, a następnie wykorzystanie uśrednionych danych do wyjaśnienia zjawisk w skali atomowej. Metody te nie pokazują jednak, co robią poszczególne atomy w określonym momencie.

Wyzwanie, przed jakim stają badacze podczas obrazowania atomów, polega na tym, że są one bardzo małe, wahają się od 0.1–0.4 nanometra i mogą poruszać się z bardzo dużymi prędkościami w fazie gazowej, wynoszącymi około 400 m/s, w skali prędkości dźwięku. To sprawia, że bezpośrednie obrazowanie atomów w akcji jest bardzo trudne, a tworzenie ciągłych wizualnych reprezentacji atomów w czasie rzeczywistym pozostaje jednym z najważniejszych wyzwań naukowych.

Profesor Andrei Khlobystov z Wydziału Chemii Uniwersytetu w Nottingham powiedział: „Nanorurki węglowe umożliwiają nam wychwytywanie atomów oraz dokładne pozycjonowanie i badanie ich na poziomie pojedynczego atomu w czasie rzeczywistym. Na przykład w tym badaniu z powodzeniem uwięziliśmy atomy kryptonu (Kr) gazu szlachetnego. Ponieważ Kr ma wysoką liczbę atomową, łatwiej jest go obserwować w TEM niż lżejsze pierwiastki. Umożliwiło nam to śledzenie pozycji atomów Kr w postaci poruszających się kropek.”

Profesor Ute Kaiser, była szefowa grupy Electron Microscopy of Materials Science, a także starszy profesor na Uniwersytecie w Ulm, dodała: „Do obserwacji procesu wykorzystaliśmy nasz najnowocześniejszy aparat SALVE TEM, który koryguje aberracje chromatyczne i sferyczne. atomów kryptonu łączących się w pary Kr2. Pary te są utrzymywane razem przez interakcję van der Waalsa, która jest tajemniczą siłą rządzącą światem cząsteczek i atomów. To ekscytująca innowacja, ponieważ pozwala nam zobaczyć odległość van der Waalsa między dwoma atomami w rzeczywistej przestrzeni. To znaczący postęp w dziedzinie chemii i fizyki, który może pomóc nam lepiej zrozumieć działanie atomów i cząsteczek”.

Naukowcy wykorzystali fulereny Buckminstera, czyli cząsteczki w kształcie piłki nożnej składające się z 60 atomów węgla, do transportu pojedynczych atomów Kr do nanoprobówek. Koalescencja cząsteczek buckminsterfullerenu w celu utworzenia zagnieżdżonych nanorurek węglowych pomogła poprawić precyzję eksperymentów. Ian Cardillo-Zallo, doktorant na Uniwersytecie w Nottingham, który był odpowiedzialny za przygotowanie i analizę tych materiałów, mówi: „Atomy kryptonu można uwolnić z wnęk fulerenów poprzez stopienie klatek węglowych. Można to osiągnąć poprzez ogrzewanie w temperaturze 1200oC lub napromienianie wiązką elektronów. Wiązania międzyatomowe między atomami Kr i ich dynamiczne zachowanie podobne do gazu można zbadać w jednym eksperymencie TEM.”

Grupie udało się bezpośrednio zaobserwować atomy Kr opuszczające klatki fulerenowe, tworząc jednowymiarowy gaz. Po uwolnieniu od cząsteczek nośnika atomy Kr mogą poruszać się tylko w jednym wymiarze wzdłuż kanału nanorurki ze względu na niezwykle wąską przestrzeń. Atomy w rzędzie ograniczonych atomów Kr nie mogą się minąć i są zmuszone do zwolnienia, podobnie jak pojazdy w korku. Zespół uchwycił kluczowy etap, w którym izolowane atomy Kr przechodzą w gaz 1D, powodując zanik kontrastu pojedynczego atomu w TEM. Niemniej jednak uzupełniające się techniki obrazowania skaningowego TEM (STEM) i spektroskopii strat energii elektronów (EELS) pozwoliły prześledzić ruch atomów w każdej nanorurce poprzez mapowanie ich sygnatur chemicznych.

Profesor Quentin Ramasse, dyrektor SuperSTEM, krajowego ośrodka badawczego EPSRC, powiedział: „Skupiając wiązkę elektronów na średnicy znacznie mniejszej niż rozmiar atomu, jesteśmy w stanie skanować nanoprobówkę i rejestrować widma poszczególnych atomów zamkniętych w jej wnętrzu”. , nawet jeśli te atomy się poruszają. Daje nam to mapę widmową jednowymiarowego gazu, potwierdzającą, że atomy są zdelokalizowane i wypełniają całą dostępną przestrzeń, tak jak zrobiłby to normalny gaz”.

Profesor Paul Brown, dyrektor Centrum Badań nad Nanoskalą i Mikroskalą (nmRC) na Uniwersytecie w Nottingham, powiedział: „O ile nam wiadomo, po raz pierwszy bezpośrednio sfotografowano łańcuchy atomów gazu szlachetnego, co doprowadziło do powstania jednowymiarowy gaz w materiale stałym. Takie silnie skorelowane układy atomowe mogą wykazywać bardzo nietypowe właściwości przewodzenia ciepła i dyfuzji. Transmisyjna mikroskopia elektronowa odegrała kluczową rolę w zrozumieniu dynamiki atomów w czasie rzeczywistym i przestrzeni bezpośredniej.

Zespół planuje wykorzystać mikroskopię elektronową do obrazowania kontrolowanych temperaturowo przejść fazowych i reakcji chemicznych w układach jednowymiarowych, aby odkryć tajemnice tak niezwykłych stanów materii.

Raport z badań:Obrazowanie czasowe dimerów i łańcuchów kryptonu w skali atomowej oraz przejście do gazu jednowymiarowego

Linki pokrewne

Uniwersytet w Nottingham

Wiadomości o technologii kosmicznej – zastosowania i badania