นักวิทยาศาสตร์ดักจับอะตอมคริปตันเพื่อสร้างก๊าซหนึ่งมิติ

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

นักวิทยาศาสตร์ดักจับอะตอมคริปทอนเพื่อสร้างก๊าซในมิติเดียว

โดยทีมงานนักเขียนของ Nottingham News

น็อตติงแฮม สหราชอาณาจักร (SPX) 24 มกราคม 2024

นับเป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์สามารถกักอะตอมของคริปทอน (Kr) ซึ่งเป็นก๊าซมีตระกูลไว้ในท่อนาโนคาร์บอนได้สำเร็จเพื่อก่อตัวเป็นก๊าซหนึ่งมิติ

นักวิทยาศาสตร์จากคณะเคมีแห่งมหาวิทยาลัยน็อตติงแฮมใช้วิธีการส่องผ่านกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนขั้นสูง (TEM) เพื่อจับภาพช่วงเวลาที่อะตอมของ Kr รวมตัวเข้าด้วยกันทีละอะตอมภายในภาชนะ "หลอดทดลองนาโน" ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าความกว้างครึ่งล้านเท่า ของเส้นผมมนุษย์ งานวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสารของ American Chemical Society

นักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษาพฤติกรรมของอะตอมนับตั้งแต่มีการตั้งสมมติฐานว่าเป็นหน่วยพื้นฐานของจักรวาล การเคลื่อนที่ของอะตอมมีผลกระทบอย่างมากต่อปรากฏการณ์พื้นฐาน เช่น อุณหภูมิ ความดัน การไหลของของไหล และปฏิกิริยาทางเคมี วิธีสเปกโทรสโกปีแบบดั้งเดิมสามารถวิเคราะห์การเคลื่อนที่ของอะตอมกลุ่มใหญ่ จากนั้นใช้ข้อมูลเฉลี่ยเพื่ออธิบายปรากฏการณ์ในระดับอะตอม อย่างไรก็ตาม วิธีการเหล่านี้ไม่ได้แสดงให้เห็นว่าแต่ละอะตอมกำลังทำอะไร ณ เวลาใดเวลาหนึ่งโดยเฉพาะ

ความท้าทายที่นักวิจัยเผชิญเมื่อถ่ายภาพอะตอมก็คือ พวกมันมีขนาดเล็กมาก โดยมีขนาดตั้งแต่ 0.1 – 0.4 นาโนเมตร และสามารถเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงมากประมาณ 400 เมตร/วินาที ในเฟสก๊าซ ในระดับความเร็วของเสียง ทำให้การถ่ายภาพอะตอมโดยตรงในการทำงานทำได้ยากมาก และการสร้างการแสดงอะตอมด้วยภาพอย่างต่อเนื่องแบบเรียลไทม์ยังคงเป็นหนึ่งในความท้าทายทางวิทยาศาสตร์ที่สำคัญที่สุด

ศาสตราจารย์ Andrei Khlobystov คณะวิชาเคมี มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม กล่าวว่า "ท่อนาโนคาร์บอนช่วยให้เราดักจับอะตอม และจัดตำแหน่งและศึกษาพวกมันในระดับอะตอมเดี่ยวแบบเรียลไทม์ได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น เราประสบความสำเร็จในการดักจับอะตอมก๊าซมีตระกูลคริปทอน (Kr) ในการศึกษานี้ เนื่องจาก Kr มีเลขอะตอมสูง การสังเกตใน TEM จึงง่ายกว่าองค์ประกอบที่เบากว่า สิ่งนี้ทำให้เราสามารถติดตามตำแหน่งของอะตอม Kr ในฐานะจุดที่เคลื่อนที่ได้”

ศาสตราจารย์ Ute Kaiser อดีตหัวหน้ากลุ่มกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของวัสดุศาสตร์ และศาสตราจารย์อาวุโสที่มหาวิทยาลัย Ulm กล่าวเสริมว่า "เราใช้ SALVE TEM ที่ล้ำสมัย ซึ่งแก้ไขความคลาดเคลื่อนของสีและทรงกลม เพื่อสังเกตกระบวนการ อะตอมของคริปทอนรวมตัวกันเป็นคู่ Kr2 คู่เหล่านี้ถูกยึดไว้ด้วยกันโดยปฏิสัมพันธ์ของแวน เดอร์ วาลส์ ซึ่งเป็นพลังลึกลับที่ควบคุมโลกของโมเลกุลและอะตอม นี่เป็นนวัตกรรมที่น่าตื่นเต้น เนื่องจากช่วยให้เราเห็นระยะห่างของแวนเดอร์วาลส์ระหว่างสองอะตอมในอวกาศจริง เป็นการพัฒนาที่สำคัญในสาขาเคมีและฟิสิกส์ที่สามารถช่วยให้เราเข้าใจการทำงานของอะตอมและโมเลกุลได้ดีขึ้น”

นักวิจัยใช้ Buckminster fullerenes ซึ่งเป็นโมเลกุลที่มีรูปร่างคล้ายฟุตบอลซึ่งประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน 60 อะตอม เพื่อขนส่งอะตอม Kr แต่ละอะตอมลงในหลอดทดลองนาโน การรวมตัวกันของโมเลกุลบัคมินสเตอร์ฟูลเลอรีนเพื่อสร้างท่อนาโนคาร์บอนที่ซ้อนกันช่วยปรับปรุงความแม่นยำของการทดลอง Ian Cardillo-Zallo นักศึกษาปริญญาเอกจากมหาวิทยาลัย Nottingham ซึ่งรับผิดชอบในการเตรียมและวิเคราะห์วัสดุเหล่านี้ กล่าวว่า "อะตอมของคริปทอนสามารถถูกปล่อยออกมาจากโพรงฟูลเลอรีนได้โดยการหลอมรวมกรงคาร์บอน ซึ่งสามารถทำได้โดยการให้ความร้อนที่อุณหภูมิ 1200oC หรือการฉายรังสีด้วยลำอิเล็กตรอน พันธะระหว่างอะตอมระหว่างอะตอม Kr และพฤติกรรมคล้ายก๊าซแบบไดนามิกสามารถศึกษาได้ในการทดลอง TEM ครั้งเดียว”

กลุ่มนี้สามารถสังเกตอะตอมของ Kr ได้โดยตรงจากกรงฟูลเลอรีนเพื่อก่อตัวเป็นก๊าซหนึ่งมิติ เมื่อปลดปล่อยจากโมเลกุลพาหะแล้ว อะตอมของ Kr จะสามารถเคลื่อนที่ไปตามช่องนาโนทิวบ์ได้ในมิติเดียวเท่านั้น เนื่องจากมีพื้นที่แคบมาก อะตอมในแถวของอะตอม Kr ที่จำกัดไม่สามารถผ่านกันและถูกบังคับให้ชะลอความเร็วเหมือนยานพาหนะที่การจราจรติดขัด ทีมงานจับภาพขั้นตอนสำคัญได้เมื่ออะตอม Kr ที่แยกออกมาเปลี่ยนเป็นก๊าซ 1D ส่งผลให้คอนทราสต์ของอะตอมเดี่ยวหายไปใน TEM อย่างไรก็ตาม เทคนิคเสริมในการสแกนภาพ TEM (STEM) และการสูญเสียพลังงานอิเล็กตรอน (EELS) สามารถติดตามการเคลื่อนที่ของอะตอมภายในท่อนาโนแต่ละอันผ่านการแมปลายเซ็นทางเคมีของพวกมัน

ศาสตราจารย์ Quentin Ramasse ผู้อำนวยการ SuperSTEM ซึ่งเป็นศูนย์วิจัยแห่งชาติของ EPSRC กล่าวว่า "ด้วยการเน้นลำแสงอิเล็กตรอนไปที่เส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กกว่าขนาดอะตอมมาก เราสามารถสแกนทั่วทั้งหลอดทดลองนาโนและบันทึกสเปกตรัมของอะตอมแต่ละตัวที่ถูกจำกัดอยู่ภายใน แม้ว่าอะตอมเหล่านี้จะเคลื่อนที่ก็ตาม นี่ทำให้เรามีแผนที่สเปกตรัมของก๊าซหนึ่งมิติ ซึ่งยืนยันว่าอะตอมถูกแยกส่วนและเติมเต็มพื้นที่ว่างทั้งหมด เหมือนกับที่ก๊าซปกติจะทำ

ศาสตราจารย์พอล บราวน์ ผู้อำนวยการศูนย์วิจัยระดับนาโนและไมโครสเกล (nmRC) มหาวิทยาลัยน็อตติงแฮม กล่าวว่า "เท่าที่เราทราบ นี่เป็นครั้งแรกที่มีการถ่ายภาพกลุ่มอะตอมของก๊าซมีตระกูลโดยตรง ซึ่งนำไปสู่การสร้าง ก๊าซมิติเดียวในวัสดุแข็ง ระบบอะตอมที่มีความสัมพันธ์กันอย่างมากดังกล่าวอาจแสดงคุณสมบัติการนำความร้อนและการแพร่ที่ผิดปกติอย่างมาก กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านมีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจพลวัตของอะตอมในแบบเรียลไทม์และในอวกาศโดยตรง

ทีมงานวางแผนที่จะใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเพื่อสร้างภาพการเปลี่ยนเฟสที่ควบคุมอุณหภูมิและปฏิกิริยาเคมีในระบบหนึ่งมิติ เพื่อไขความลับของสถานะที่ผิดปกติของสสาร

รายงานการวิจัย:การถ่ายภาพขนาดอะตอมมิกที่แก้ไขตามเวลาของไดเมอร์และโซ่คริปทอนและการเปลี่ยนเป็นก๊าซหนึ่งมิติ

ลิงก์ที่เกี่ยวข้อง

มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม

ข่าวเทคโนโลยีอวกาศ – แอปพลิเคชั่นและการวิจัย