科学家捕获氪原子形成一维气体

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科学家捕获氪原子形成一维气体

诺丁汉新闻特约撰稿人

英国诺丁汉 (SPX) 24 年 2024 月 XNUMX 日

科学家们首次成功地将惰性气体氪 (Kr) 原子捕获在碳纳米管内，形成一维气体。

诺丁汉大学化学学院的科学家们使用先进的透射电子显微镜（TEM）方法，捕捉到了Kr原子在直径比宽度小50万倍的“纳米试管”容器内一个接一个地结合在一起的瞬间。一根人的头发。该研究已发表在美国化学会杂志上。

自从假设原子是宇宙的基本单位以来，科学家们就一直在研究原子的行为。原子的运动对温度、压力、流体流动和化学反应等基本现象有重大影响。传统的光谱方法可以分析大量原子的运动，然后使用平均数据来解释原子尺度的现象。然而，这些方法并没有显示单个原子在特定时间点正在做什么。

研究人员在对原子进行成像时面临的挑战是，它们非常小，范围为 0.1 – 0.4 纳米，而且它们在气相中可以以约 400 m/s 的极高速度移动，相当于声速。这使得对运动中的原子进行直接成像非常困难，并且实时创建原子的连续视觉表示仍然是最重大的科学挑战之一。

诺丁汉大学化学学院教授安德烈·赫洛比斯托夫（Andrei Khlobystov）表示：“碳纳米管使我们能够捕获原子并在单原子水平上实时准确地定位和研究它们。例如，我们在这项研究中成功捕获了惰性气体氪（Kr）原子。由于 Kr 具有较高的原子序数，因此它比轻元素更容易在 TEM 中观察到。这使我们能够以移动点的形式追踪氪原子的位置。”

材料科学电子显微镜组前组长、乌尔姆大学高级教授 Ute Kaiser 教授补充道：“我们使用最先进的 SALVE TEM 来观察这一过程，该设备可校正色差和球差氪原子连接在一起形成 Kr2 对。这些对通过范德华相互作用结合在一起，这是一种控制分子和原子世界的神秘力量。这是一项令人兴奋的创新，因为它使我们能够看到真实空间中两个原子之间的范德华距离。这是化学和物理领域的一项重大发展，可以帮助我们更好地理解原子和分子的工作原理。”

研究人员利用巴克明斯特富勒烯（由 60 个碳原子组成的足球形状的分子）将单个氪原子传输到纳米试管中。巴克明斯特富勒烯分子聚结形成嵌套碳纳米管有助于提高实验的精度。诺丁汉大学的博士生 Ian Cardillo-Zallo 负责这些材料的制备和分析，他说：“通过融合碳笼，氪原子可以从富勒烯空腔中释放出来。这可以通过 1200oC 加热或电子束照射来实现。 Kr 原子之间的原子间键合及其动态气体行为都可以在单个 TEM 实验中进行研究。”

该小组已经能够直接观察到氪原子离开富勒烯笼形成一维气体。一旦脱离载体分子，由于空间极其狭窄，氪原子只能沿着纳米管通道在一维移动。一排受约束的氪原子中的原子无法相互通过，因此被迫减速，就像交通拥堵中的车辆一样。该团队捕捉到了孤立的 Kr 原子转变为一维气体的关键阶段，导致单原子对比度在 TEM 中消失。尽管如此，扫描 TEM (STEM) 成像和电子能量损失光谱 (EELS) 的互补技术能够通过绘制化学特征来追踪每个纳米管内原子的运动。

EPSRC 国家研究机构 SuperSTEM 主任 Quentin Ramasse 教授表示：“通过将电子束聚焦到比原子尺寸小得多的直径，我们能够扫描纳米试管并记录限制在纳米试管内的单个原子的光谱。” ，即使这些原子在移动。这为我们提供了一维气体的光谱图，证实了原子是离域的并填充了所有可用空间，就像普通气体一样。

诺丁汉大学纳米和微米研究中心（nmRC）主任保罗·布朗教授说：“据我们所知，这是第一次直接对惰性气体原子链进行成像，从而创造了固体材料中的一维气体。这种强相关的原子系统可能表现出极不寻常的热导和扩散特性。透射电子显微镜在理解实时和直接空间中的原子动力学方面发挥了至关重要的作用。

该团队计划使用电子显微镜对一维系统中的温度控制相变和化学反应进行成像，以解开这种不寻常物质状态的秘密。

研究报告：氪二聚体和链的原子尺度时间分辨成像以及向一维气体的转变

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