Вчені вловлюють атоми криптону, щоб утворити одновимірний газ

Перевидано Платоном

читають: 0

Вчені вловлюють атоми криптону, щоб утворити одновимірний газ

Штатні автори Nottingham News

Ноттінгем, Великобританія (SPX) 24 січня 2024 р

Вперше вчені успішно затримали атоми криптону (Kr), благородного газу, всередині вуглецевої нанотрубки, щоб утворити одновимірний газ.

Вчені з Школи хімії Ноттінгемського університету використовували передові методи просвічуючої електронної мікроскопії (ТЕМ), щоб зафіксувати момент, коли атоми Kr з’єднуються разом, один за одним, усередині контейнера «нанопробірки», діаметр якого в півмільйона разів менший за ширину. людського волосся. Дослідження опубліковано в журналі Американського хімічного товариства.

Поведінка атомів вивчається вченими з тих пір, як була висунута гіпотеза, що вони є основними одиницями Всесвіту. Рух атомів має значний вплив на фундаментальні явища, такі як температура, тиск, потік рідини та хімічні реакції. Традиційні методи спектроскопії можуть аналізувати рух великих груп атомів, а потім використовувати усереднені дані для пояснення явищ в атомному масштабі. Однак ці методи не показують, що роблять окремі атоми в певний момент часу.

Проблема, з якою стикаються дослідники під час створення зображень атомів, полягає в тому, що вони дуже малі, коливаються від 0.1 до 0.4 нанометра, і вони можуть рухатися з дуже високими швидкостями приблизно 400 м/с у газовій фазі, на шкалі швидкості звуку. Це дуже ускладнює безпосереднє зображення атомів у дії, і створення безперервних візуальних представлень атомів у реальному часі залишається однією з найважливіших наукових проблем.

Професор Андрій Хлобистов, факультет хімії Ноттінгемського університету, сказав: «Вуглецеві нанотрубки дозволяють нам захоплювати атоми, точно позиціонувати та вивчати їх на рівні одного атома в режимі реального часу. Наприклад, у цьому дослідженні нам вдалося вловити атоми благородного газу криптону (Kr). Оскільки Kr має високий атомний номер, його легше спостерігати в ТЕМ, ніж легші елементи. Це дозволило нам відстежувати позиції атомів Kr як рухомих точок».

Професор Уте Кайзер, колишній керівник групи електронної мікроскопії матеріалознавства, старший професор Університету Ульма, додав: «Для спостереження за процесом ми використали наш найсучасніший SALVE TEM, який коригує хроматичні та сферичні аберації. атомів криптону, що з’єднуються разом, утворюючи пари Kr2. Ці пари утримуються разом завдяки взаємодії Ван-дер-Ваальса, яка є таємничою силою, що керує світом молекул і атомів. Це захоплююче нововведення, оскільки воно дозволяє нам побачити відстань Ван-дер-Ваальса між двома атомами в реальному просторі. Це значний розвиток у галузі хімії та фізики, який може допомогти нам краще зрозуміти роботу атомів і молекул».

Дослідники використовували фулерени Бакмінстера, які являють собою молекули у формі м’яча, що складаються з 60 атомів вуглецю, для транспортування окремих атомів Kr у нанопробірки. Коалесценція молекул бакмінстерфуллерену для створення вкладених вуглецевих нанотрубок допомогла підвищити точність експериментів. Ян Карділло-Залло, аспірант Ноттінгемського університету, який відповідав за підготовку та аналіз цих матеріалів, каже: «Атоми криптону можна вивільнити з фулеренових порожнин шляхом сплавлення вуглецевих клітин. Цього можна досягти нагріванням при 1200oC або опроміненням електронним променем. Міжатомні зв’язки між атомами Kr і їх динамічна газоподібна поведінка можуть бути вивчені в одному експерименті ТЕМ».

Групі вдалося безпосередньо спостерігати, як атоми Kr виходять із клітин фулерену, утворюючи одновимірний газ. Звільнившись від своїх молекул-носіїв, атоми Kr можуть рухатися лише в одному вимірі вздовж каналу нанотрубки через надзвичайно вузький простір. Атоми в ряду обмежених атомів Kr не можуть розминутися один з одним і змушені сповільнюватися, як транспортні засоби в пробках. Команда зафіксувала вирішальний етап, коли ізольовані атоми Kr перетворюються на одновимірний газ, що призводить до зникнення одноатомного контрасту в ТЕМ. Тим не менш, додаткові методи сканування TEM (STEM) візуалізації та спектроскопії втрат енергії електронів (EELS) змогли простежити рух атомів у кожній нанотрубці через відображення їхніх хімічних сигнатур.

Професор Квентін Рамасс, директор SuperSTEM, національного дослідницького центру EPSRC, сказав: «Фокусуючи електронний промінь до діаметра, набагато меншого за розмір атома, ми можемо сканувати нанопробірку та записувати спектри окремих атомів, ув’язнених усередині. , навіть якщо ці атоми рухаються. Це дає нам спектральну карту одновимірного газу, підтверджуючи, що атоми делокалізовані та заповнюють увесь доступний простір, як це зробив би звичайний газ».

Професор Пол Браун, директор Наномасштабного та мікромасштабного дослідницького центру (nmRC) Ноттінгемського університету, сказав: «Наскільки нам відомо, це перший раз, коли ланцюги атомів благородного газу були зображені безпосередньо, що призвело до створення одновимірний газ у твердому матеріалі. Такі сильно корельовані атомні системи можуть демонструвати надзвичайно незвичні властивості теплопровідності та дифузії. Трансмісійна електронна мікроскопія зіграла вирішальну роль у розумінні динаміки атомів у реальному часі та прямому просторі».

Команда планує використовувати електронну мікроскопію для зображення контрольованих температурою фазових переходів і хімічних реакцій в одновимірних системах, щоб розкрити секрети таких незвичайних станів матерії.

Звіт про дослідження:Зображення димерів і ланцюгів криптону з роздільною здатністю в атомному масштабі та перехід до одновимірного газу

Посилання

Ноттингемський університет

Новини космічних технологій - застосування та дослідження