Các nhà khoa học bẫy các nguyên tử Krypton để tạo thành khí một chiều

Được xuất bản lại bởi Plato

Người theo dõi: 0

Các nhà khoa học bẫy các nguyên tử krypton để tạo thành khí một chiều

của Nhân viên Nhà văn cho Tin tức Nottingham

Nottingham Vương quốc Anh (SPX) Ngày 24 tháng 2024 năm XNUMX

Lần đầu tiên, các nhà khoa học đã bẫy thành công các nguyên tử krypton (Kr), một loại khí hiếm, bên trong ống nano carbon để tạo thành khí một chiều.

Các nhà khoa học từ Trường Hóa học của Đại học Nottingham đã sử dụng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) tiên tiến để ghi lại khoảnh khắc các nguyên tử Kr liên kết với nhau, từng cái một, bên trong một vật chứa “ống nghiệm nano” có đường kính nhỏ hơn nửa triệu lần chiều rộng của một sợi tóc con người. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ.

Hành vi của các nguyên tử đã được các nhà khoa học nghiên cứu kể từ khi người ta đưa ra giả thuyết rằng chúng là đơn vị cơ bản của vũ trụ. Chuyển động của các nguyên tử có tác động đáng kể đến các hiện tượng cơ bản như nhiệt độ, áp suất, dòng chất lỏng và các phản ứng hóa học. Các phương pháp quang phổ truyền thống có thể phân tích chuyển động của các nhóm nguyên tử lớn và sau đó sử dụng dữ liệu trung bình để giải thích các hiện tượng ở quy mô nguyên tử. Tuy nhiên, những phương pháp này không cho biết từng nguyên tử đang hoạt động như thế nào tại một thời điểm cụ thể.

Thách thức mà các nhà nghiên cứu gặp phải khi chụp ảnh các nguyên tử là chúng rất nhỏ, dao động từ 0.1 – 0.4 nanomet và chúng có thể di chuyển với tốc độ rất cao khoảng 400 m/s trong pha khí, trên thang tốc độ âm thanh. Điều này làm cho việc chụp ảnh trực tiếp các nguyên tử đang hoạt động trở nên rất khó khăn và việc tạo ra các biểu diễn trực quan liên tục của các nguyên tử trong thời gian thực vẫn là một trong những thách thức khoa học quan trọng nhất.

Giáo sư Andrei Khlobystov, Trường Hóa học, Đại học Nottingham, cho biết: “Ống nano carbon cho phép chúng ta bẫy các nguyên tử, định vị chính xác và nghiên cứu chúng ở cấp độ đơn nguyên tử trong thời gian thực. Ví dụ, chúng tôi đã bẫy thành công các nguyên tử khí hiếm krypton (Kr) trong nghiên cứu này. Vì Kr có số nguyên tử cao nên dễ quan sát trong TEM hơn các nguyên tố nhẹ hơn. Điều này cho phép chúng tôi theo dõi vị trí của các nguyên tử Kr dưới dạng các chấm chuyển động.”

Giáo sư Ute Kaiser, cựu trưởng nhóm Kính hiển vi điện tử của Khoa học Vật liệu, giáo sư cao cấp tại Đại học Ulm, cho biết thêm: “Chúng tôi đã sử dụng SALVE TEM tiên tiến nhất của mình để điều chỉnh quang sai màu và hình cầu để quan sát quá trình các nguyên tử krypton liên kết với nhau tạo thành cặp Kr2. Những cặp này được giữ với nhau nhờ tương tác van der Waals, một lực bí ẩn chi phối thế giới phân tử và nguyên tử. Đây là một phát minh thú vị vì nó cho phép chúng ta nhìn thấy khoảng cách van der Waals giữa hai nguyên tử trong không gian thực. Đó là một sự phát triển đáng kể trong lĩnh vực hóa học và vật lý có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về hoạt động của các nguyên tử và phân tử.”

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng fullerene Buckminster, là các phân tử hình quả bóng đá gồm 60 nguyên tử carbon, để vận chuyển từng nguyên tử Kr vào ống nghiệm nano. Sự kết hợp của các phân tử Buckminsterfullerene để tạo ra các ống nano carbon lồng vào nhau đã giúp cải thiện độ chính xác của các thí nghiệm. Ian Cardillo-Zallo, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Nottingham, người chịu trách nhiệm chuẩn bị và phân tích các vật liệu này, cho biết: “Các nguyên tử Krypton có thể được giải phóng khỏi các khoang fullerene bằng cách nung chảy các lồng carbon. Điều này có thể đạt được bằng cách nung nóng ở 1200oC hoặc chiếu xạ bằng chùm tia điện tử. Liên kết tương tác giữa các nguyên tử Kr và hành vi giống khí động lực của chúng đều có thể được nghiên cứu trong một thí nghiệm TEM duy nhất.”

Nhóm đã có thể quan sát trực tiếp các nguyên tử Kr thoát ra khỏi lồng fullerene để tạo thành chất khí một chiều. Sau khi được giải phóng khỏi các phân tử mang, nguyên tử Kr chỉ có thể di chuyển theo một chiều dọc theo kênh ống nano do không gian cực kỳ hẹp. Các nguyên tử trong hàng nguyên tử Kr bị ràng buộc không thể vượt qua nhau và buộc phải giảm tốc độ, giống như các phương tiện giao thông bị tắc nghẽn. Nhóm nghiên cứu đã nắm bắt được giai đoạn quan trọng khi các nguyên tử Kr cô lập chuyển sang khí 1D, khiến độ tương phản của một nguyên tử biến mất trong TEM. Tuy nhiên, các kỹ thuật bổ sung quét hình ảnh TEM (STEM) và quang phổ tổn thất năng lượng điện tử (EELS) có thể theo dõi chuyển động của các nguyên tử trong mỗi ống nano thông qua ánh xạ các dấu hiệu hóa học của chúng.

Giáo sư Quentin Ramasse, Giám đốc SuperSTEM, Cơ sở nghiên cứu quốc gia EPSRC, cho biết: “Bằng cách tập trung chùm tia điện tử đến đường kính nhỏ hơn nhiều so với kích thước nguyên tử, chúng tôi có thể quét qua ống nghiệm nano và ghi lại quang phổ của từng nguyên tử bị giới hạn bên trong”. , ngay cả khi những nguyên tử này đang chuyển động. Điều này mang lại cho chúng ta bản đồ quang phổ của chất khí một chiều, xác nhận rằng các nguyên tử được định vị và lấp đầy tất cả không gian có sẵn, giống như chất khí thông thường”.

Giáo sư Paul Brown, giám đốc Trung tâm nghiên cứu quy mô nano và vi mô (nmRC), Đại học Nottingham, cho biết: “Theo những gì chúng tôi biết, đây là lần đầu tiên chuỗi nguyên tử khí hiếm được chụp ảnh trực tiếp, dẫn đến việc tạo ra khí một chiều trong vật liệu rắn. Các hệ nguyên tử có mối tương quan chặt chẽ như vậy có thể biểu hiện các đặc tính dẫn nhiệt và khuếch tán nhiệt rất khác thường. Kính hiển vi điện tử truyền qua đã đóng một vai trò quan trọng trong việc tìm hiểu động lực học của các nguyên tử trong không gian trực tiếp và thời gian thực.”

Nhóm dự định sử dụng kính hiển vi điện tử để chụp ảnh các chuyển tiếp pha được kiểm soát nhiệt độ và các phản ứng hóa học trong các hệ một chiều, nhằm giải mã bí mật về các trạng thái bất thường như vậy của vật chất.

Báo cáo nghiên cứu:Hình ảnh được giải quyết theo thời gian ở quy mô nguyên tử của các bộ điều chỉnh và chuỗi Krypton cũng như sự chuyển đổi sang khí một chiều

Liên kết liên quan

Đại học Nottingham

Tin tức Công nghệ Vũ trụ - Ứng dụng và Nghiên cứu