Oamenii de știință prind atomii de kripton pentru a forma gaz unidimensional

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Oamenii de știință captează atomii de criptoni pentru a forma gaz unidimensional

de scriitori pentru Nottingham News

Nottingham Marea Britanie (SPX) 24 ianuarie 2024

Pentru prima dată, oamenii de știință au prins cu succes atomi de krypton (Kr), un gaz nobil, în interiorul unui nanotub de carbon pentru a forma un gaz unidimensional.

Oamenii de știință de la Școala de Chimie a Universității din Nottingham au folosit metode avansate de microscopie electronică cu transmisie (TEM) pentru a surprinde momentul în care atomii de Kr s-au unit, unul câte unul, în interiorul unui recipient „nano eprubetă” cu un diametru de jumătate de milion de ori mai mic decât lățimea. a unui păr uman. Cercetarea a fost publicată în revista American Chemical Society.

Comportamentul atomilor a fost studiat de oamenii de știință încă de când s-a emis ipoteza că aceștia sunt unitățile de bază ale universului. Mișcarea atomilor are un impact semnificativ asupra fenomenelor fundamentale precum temperatura, presiunea, curgerea fluidului și reacțiile chimice. Metodele tradiționale de spectroscopie pot analiza mișcarea unor grupuri mari de atomi și apoi pot folosi date medii pentru a explica fenomenele la scară atomică. Cu toate acestea, aceste metode nu arată ce fac atomii individuali la un anumit moment în timp.

Provocarea cu care se confruntă cercetătorii atunci când imaginează atomii este că aceștia sunt foarte mici, variind de la 0.1 – 0.4 nanometri și se pot deplasa la viteze foarte mari de aproximativ 400 m/s în faza gazoasă, pe scara vitezei sunetului. Acest lucru face ca imaginea directă a atomilor în acțiune să fie foarte dificilă, iar crearea de reprezentări vizuale continue ale atomilor în timp real rămâne una dintre cele mai semnificative provocări științifice.

Profesorul Andrei Khlobystov, Scoala de Chimie, Universitatea din Nottingham, a declarat: „Nanotuburile de carbon ne permit sa captam atomii si sa ii pozitionam si sa le studiem cu precizie la nivel de un singur atom in timp real. De exemplu, am prins cu succes atomi de kripton de gaz nobil (Kr) în acest studiu. Deoarece Kr are un număr atomic mare, este mai ușor de observat într-un TEM decât elementele mai ușoare. Acest lucru ne-a permis să urmărim pozițiile atomilor Kr ca puncte în mișcare.”

Profesorul Ute Kaiser, fost șef al grupului de microscopie electronică a științei materialelor, profesor principal la Universitatea din Ulm, a adăugat: „Am folosit SALVE TEM de ultimă generație, care corectează aberațiile cromatice și sferice, pentru a observa procesul. a atomilor de cripton care se unesc pentru a forma perechi Kr2. Aceste perechi sunt ținute împreună prin interacțiunea van der Waals, care este o forță misterioasă care guvernează lumea moleculelor și a atomilor. Aceasta este o inovație interesantă, deoarece ne permite să vedem distanța van der Waals dintre doi atomi în spațiul real. Este o dezvoltare semnificativă în domeniul chimiei și al fizicii, care ne poate ajuta să înțelegem mai bine funcționarea atomilor și moleculelor.”

Cercetătorii au folosit fulerenele Buckminster, care sunt molecule în formă de fotbal, constând din 60 de atomi de carbon, pentru a transporta atomi individuali de Kr în nano eprubete. Coalescența moleculelor de buckminsterfulleren pentru a crea nanotuburi de carbon imbricate a ajutat la îmbunătățirea preciziei experimentelor. Ian Cardillo-Zallo, doctorand la Universitatea din Nottingham, care a fost responsabil cu pregătirea și analiza acestor materiale, spune: „Atomii de cripton pot fi eliberați din cavitățile fullerene prin topirea cuștilor de carbon. Acest lucru se poate realiza prin încălzire la 1200oC sau iradiere cu un fascicul de electroni. Legăturile interatomice dintre atomii de Kr și comportamentul lor dinamic asemănător gazului pot fi ambele studiate într-un singur experiment TEM.”

Grupul a putut observa direct atomii de Kr care ies din cuști de fullerenă pentru a forma un gaz unidimensional. Odată eliberați de moleculele lor purtătoare, atomii de Kr se pot mișca doar într-o singură dimensiune de-a lungul canalului de nanotuburi din cauza spațiului extrem de îngust. Atomii din rândul de atomi Kr constrânși nu pot trece unul de celălalt și sunt forțați să încetinească, ca vehiculele aflate în aglomerație. Echipa a surprins etapa crucială când atomii Kr izolați au trecut la un gaz 1D, provocând dispariția contrastului cu un singur atom în TEM. Cu toate acestea, tehnicile complementare de scanare a imaginii TEM (STEM) și spectroscopie de pierdere de energie a electronilor (EELS) au putut urmări mișcarea atomilor în fiecare nanotub prin maparea semnăturilor lor chimice.

Profesorul Quentin Ramasse, director al SuperSTEM, o facilitate națională de cercetare EPSRC, a declarat: „Prin focalizarea fasciculului de electroni la un diametru mult mai mic decât dimensiunea atomului, suntem capabili să scanăm prin nano eprubetă și să înregistrăm spectre ale atomilor individuali limitați în interior. , chiar dacă acești atomi se mișcă. Acest lucru ne oferă o hartă spectrală a gazului unidimensional, confirmând că atomii sunt delocalizați și umplu tot spațiul disponibil, așa cum ar face un gaz normal.

Profesorul Paul Brown, director al Centrului de Cercetare la scară Nano și Microscale (nmRC), Universitatea din Nottingham, a declarat: „Din câte știm, aceasta este prima dată când lanțurile de atomi de gaz nobili au fost fotografiate direct, ceea ce duce la crearea de un gaz unidimensional într-un material solid. Astfel de sisteme atomice puternic corelate pot prezenta proprietăți de conductanță termică și difuzie extrem de neobișnuite. Microscopia electronică cu transmisie a jucat un rol crucial în înțelegerea dinamicii atomilor în timp real și în spațiul direct.

Echipa intenționează să folosească microscopia electronică pentru a vizualiza tranzițiile de fază controlate de temperatură și reacțiile chimice în sisteme unidimensionale, pentru a dezvălui secretele unor astfel de stări neobișnuite ale materiei.

Raport de cercetare:Imagistica la scară atomică rezolvată în timp a dimerilor și lanțurilor de criptoni și tranziția la un gaz unidimensional

Link-uri conexe

Universitatea din Nottingham

Știri despre tehnologia spațială - Aplicații și cercetare