Ученые ловят атомы криптона, образуя одномерный газ

Переиздано Платоном

Читают: 0

Ученые ловят атомы криптона, образуя одномерный газ

штатные авторы Nottingham News

Ноттингем, Великобритания (SPX), 24 января 2024 г.

Впервые ученые успешно поймали атомы криптона (Kr), благородного газа, внутри углеродной нанотрубки, образовав одномерный газ.

Ученые из Школы химии Ноттингемского университета использовали передовые методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), чтобы запечатлеть момент, когда атомы Kr соединялись один за другим внутри контейнера «нанопробирка», диаметр которого в полмиллиона раз меньше ширины. человеческого волоса. Исследование опубликовано в журнале Американского химического общества.

Поведение атомов изучалось учеными с тех пор, как была выдвинута гипотеза, что они являются основными единицами Вселенной. Движение атомов оказывает существенное влияние на фундаментальные явления, такие как температура, давление, поток жидкости и химические реакции. Традиционные методы спектроскопии могут анализировать движение больших групп атомов, а затем использовать усредненные данные для объяснения явлений на атомном уровне. Однако эти методы не показывают, что делают отдельные атомы в конкретный момент времени.

Проблема, с которой исследователи сталкиваются при визуализации атомов, заключается в том, что они очень малы (от 0.1 до 0.4 нанометра) и могут двигаться с очень высокими скоростями — около 400 м/с в газовой фазе — по шкале скорости звука. Это делает прямое изображение атомов в действии очень трудным, а создание непрерывных визуальных представлений атомов в реальном времени остается одной из наиболее важных научных задач.

Профессор Андрей Хлобыстов из Школы химии Ноттингемского университета сказал: «Углеродные нанотрубки позволяют нам захватывать атомы, а также точно позиционировать и изучать их на уровне отдельных атомов в режиме реального времени. Например, в этом исследовании мы успешно поймали атомы благородного газа криптона (Kr). Поскольку Kr имеет высокий атомный номер, его легче наблюдать в ПЭМ, чем более легкие элементы. Это позволило нам отслеживать положения атомов Kr как движущихся точек».

Профессор Уте Кайзер, бывший руководитель группы электронной микроскопии материаловедения, старший профессор Ульмского университета, добавил: «Для наблюдения за процессом мы использовали нашу современную систему SALVE TEM, которая корректирует хроматические и сферические аберрации. Атомы криптона объединяются, образуя пары Kr2. Эти пары удерживаются вместе благодаря взаимодействию Ван-дер-Ваальса — загадочной силе, управляющей миром молекул и атомов. Это захватывающее нововведение, поскольку оно позволяет нам увидеть расстояние Ван-дер-Ваальса между двумя атомами в реальном пространстве. Это значительное достижение в области химии и физики, которое может помочь нам лучше понять работу атомов и молекул».

Исследователи использовали фуллерены Бакминстера, которые представляют собой молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, для транспортировки отдельных атомов Kr в нанопробирки. Слияние молекул бакминстерфуллерена для создания вложенных углеродных нанотрубок помогло повысить точность экспериментов. Ян Кардилло-Залло, аспирант Ноттингемского университета, который отвечал за подготовку и анализ этих материалов, говорит: «Атомы криптона могут высвобождаться из полостей фуллеренов путем синтеза углеродных каркасов. Этого можно добиться путем нагревания до 1200°С или облучения электронным лучом. Межатомные связи между атомами Kr и их динамическое газоподобное поведение можно изучить в одном эксперименте TEM».

Группе удалось напрямую наблюдать, как атомы Kr выходят из фуллереновых клеток и образуют одномерный газ. Освободившись от своих молекул-носителей, атомы Kr могут двигаться только в одном измерении вдоль канала нанотрубки из-за чрезвычайно узкого пространства. Атомы в ряду связанных атомов Kr не могут разъехаться друг с другом и вынуждены замедляться, как транспортные средства в пробке. Команда зафиксировала решающий этап, когда изолированные атомы Kr переходят в одномерный газ, в результате чего контраст между отдельными атомами исчезает в ПЭМ. Тем не менее, дополнительные методы сканирующей ПЭМ (STEM) визуализации и спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) смогли проследить движение атомов внутри каждой нанотрубки посредством картирования их химических сигнатур.

Профессор Квентин Рамасс, директор SuperSTEM, национального исследовательского центра EPSRC, сказал: «Фокусируя электронный луч на диаметр, намного меньший, чем размер атома, мы можем сканировать нанопробирку и записывать спектры отдельных атомов, заключенных внутри нее. , даже если эти атомы движутся. Это дает нам спектральную карту одномерного газа, подтверждающую, что атомы делокализованы и заполняют все доступное пространство, как это сделал бы обычный газ».

Профессор Пол Браун, директор Центра наномасштабных и микромасштабных исследований (nmRC) Ноттингемского университета, сказал: «Насколько нам известно, это первый случай, когда цепочки атомов благородных газов были непосредственно отображены, что привело к созданию одномерный газ в твердом материале. Такие сильно коррелированные атомные системы могут проявлять весьма необычные свойства теплопроводности и диффузии. Просвечивающая электронная микроскопия сыграла решающую роль в понимании динамики атомов в реальном времени и в прямом пространстве».

Команда планирует использовать электронную микроскопию для изображения контролируемых температурой фазовых переходов и химических реакций в одномерных системах, чтобы раскрыть секреты таких необычных состояний материи.

Исследовательский отчет:Визуализация димеров и цепочек криптона в атомном масштабе с временным разрешением и переход к одномерному газу

Ссылки по теме

Ноттингемский университет

Новости космических технологий - приложения и исследования