Znanstveniki ujamejo atome kriptona v enodimenzionalni plin

Ponovno objavil Platon

Spremljevalci: 0

Znanstveniki ujamejo atome kriptona v enodimenzionalni plin

napisali zaposleni pisci za Nottingham News

Nottingham UK (SPX) 24. januar 2024

Znanstveniki so prvič uspešno ujeli atome kriptona (Kr), žlahtnega plina, v ogljikovo nanocevko, da so tvorili enodimenzionalni plin.

Znanstveniki s Fakultete za kemijo Univerze v Nottinghamu so uporabili napredne metode transmisijske elektronske mikroskopije (TEM), da bi ujeli trenutek, ko se atomi Kr združijo, enega za drugim, v posodi z "nano epruveto" s premerom, pol milijonkrat manjšim od širine. človeškega lasu. Raziskava je bila objavljena v reviji American Chemical Society.

Obnašanje atomov znanstveniki preučujejo vse odkar so domnevali, da so osnovne enote vesolja. Gibanje atomov pomembno vpliva na temeljne pojave, kot so temperatura, tlak, pretok tekočine in kemične reakcije. Tradicionalne metode spektroskopije lahko analizirajo gibanje velikih skupin atomov in nato uporabijo povprečne podatke za razlago pojavov na atomski lestvici. Vendar te metode ne pokažejo, kaj počnejo posamezni atomi v določenem trenutku.

Izziv, s katerim se soočajo raziskovalci pri slikanju atomov, je, da so zelo majhni, v razponu od 0.1 do 0.4 nanometra, in se lahko gibljejo pri zelo visokih hitrostih okoli 400 m/s v plinski fazi, na lestvici hitrosti zvoka. Zaradi tega je neposredno slikanje atomov v akciji zelo težko, ustvarjanje neprekinjenih vizualnih predstavitev atomov v realnem času pa ostaja eden najpomembnejših znanstvenih izzivov.

Profesor Andrei Khlobystov s Fakultete za kemijo Univerze v Nottinghamu je dejal: »Ogljikove nanocevke nam omogočajo, da ujamemo atome in jih natančno pozicioniramo ter preučujemo na ravni enega atoma v realnem času. V tej študiji smo na primer uspešno ujeli atome žlahtnega plina kriptona (Kr). Ker ima Kr visoko atomsko število, ga je lažje opazovati v TEM kot lažje elemente. To nam je omogočilo, da sledimo položajem Kr atomov kot premikajočih se pik."

Profesor Ute Kaiser, nekdanji vodja skupine za elektronsko mikroskopijo znanosti o materialih, višji profesor na Univerzi v Ulmu, je dodal: »Za opazovanje procesa smo uporabili naš najsodobnejši SALVE TEM, ki popravlja kromatične in sferične aberacije. atomov kriptona, ki se združijo v pare Kr2. Te pare drži skupaj van der Waalsova interakcija, ki je skrivnostna sila, ki vlada svetu molekul in atomov. To je vznemirljiva inovacija, saj nam omogoča, da vidimo van der Waalsovo razdaljo med dvema atomoma v realnem prostoru. To je pomemben razvoj na področju kemije in fizike, ki nam lahko pomaga bolje razumeti delovanje atomov in molekul.«

Raziskovalci so uporabili Buckminsterjeve fulerene, ki so molekule v obliki nogometne žoge, sestavljene iz 60 atomov ogljika, za transport posameznih atomov Kr v nano epruvete. Koalescenca molekul buckminsterfulerena za ustvarjanje ugnezdenih ogljikovih nanocevk je pomagala izboljšati natančnost poskusov. Ian Cardillo-Zallo, doktorski študent na Univerzi v Nottinghamu, ki je bil odgovoren za pripravo in analizo teh materialov, pravi: »Kriptonove atome je mogoče sprostiti iz fulerenskih votlin s spajanjem ogljikovih kletk. To lahko dosežemo s segrevanjem na 1200oC ali obsevanjem z elektronskim žarkom. Medatomsko vez med atomi Kr in njihovo dinamično obnašanje, podobno plinu, je mogoče proučiti v enem samem eksperimentu TEM.

Skupina je lahko neposredno opazovala atome Kr, ki zapuščajo kletke fulerena in tvorijo enodimenzionalni plin. Ko se atomi Kr osvobodijo svojih nosilnih molekul, se lahko zaradi izjemno ozkega prostora gibljejo samo v eni dimenziji vzdolž kanala nanocevk. Atomi v vrsti omejenih atomov Kr ne morejo iti drug mimo drugega in so prisiljeni upočasniti, kot vozila v prometnih zastojih. Ekipa je ujela ključno fazo, ko izolirani Kr atomi preidejo v 1D plin, zaradi česar kontrast enega atoma izgine v TEM. Kljub temu sta komplementarni tehniki skeniranja TEM (STEM) slikanja in spektroskopije izgube elektronske energije (EELS) lahko izsledili gibanje atomov znotraj vsake nanocevke s preslikavo njihovih kemičnih podpisov.

Profesor Quentin Ramasse, direktor SuperSTEM, Nacionalne raziskovalne ustanove EPSRC, je dejal: "Z fokusiranjem elektronskega žarka na premer, ki je veliko manjši od velikosti atoma, lahko skeniramo po nano epruveti in posnamemo spektre posameznih atomov, zaprtih v njem. , tudi če se ti atomi premikajo. To nam daje spektralni zemljevid enodimenzionalnega plina, ki potrjuje, da so atomi delokalizirani in zapolnjujejo ves razpoložljivi prostor, kot bi to storil običajni plin.'

Profesor Paul Brown, direktor Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), Univerze v Nottinghamu, je dejal: "Kolikor vemo, je to prvič, da so bile verige atomov žlahtnih plinov neposredno posnete, kar je vodilo do nastanka enodimenzionalni plin v trdnem materialu. Takšni močno korelirani atomski sistemi lahko kažejo zelo nenavadne lastnosti toplotne prevodnosti in difuzije. Transmisijska elektronska mikroskopija je igrala ključno vlogo pri razumevanju dinamike atomov v realnem času in neposrednem prostoru.'

Ekipa namerava uporabiti elektronsko mikroskopijo za slikanje temperaturno nadzorovanih faznih prehodov in kemičnih reakcij v enodimenzionalnih sistemih, da bi odkrili skrivnosti takšnih nenavadnih stanj snovi.

Raziskovalno poročilo:Časovno ločljivo slikanje kriptonskih dimerjev in verig v atomskem merilu ter prehod v enodimenzionalni plin

Sorodne povezave

Univerza v Nottinghamu

Novice o vesoljski tehnologiji - aplikacije in raziskave