Ученые улавливают атомы криптона, образуя одномерный газ

Впервые ученым удалось захватить атомы криптона (Kr), благородного газа, внутри углеродной нанотрубки и образовать одномерный газ.

Ученые из Школы химии Ноттингемского университета использовали передовые методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), чтобы запечатлеть момент, когда атомы Kr слипаются один за другим внутри контейнера «нанопробирка», диаметр которого в полмиллиона раз меньше ширины. . Из человеческих волос. Это было исследование опубликовано в АСУ Нано.

Ученые изучали поведение атомов с тех пор, как предположили, что они являются основными единицами Вселенной. Движение атомов оказывает существенное влияние на фундаментальные явления, такие как температура, давление, поток жидкости и химические реакции.

Традиционные методы спектроскопии позволяют анализировать движение больших групп атомов, а затем использовать усредненные данные для объяснения явлений на атомном уровне. Однако эти методы не показывают, что делают отдельные атомы в определенное время.

Проблема, с которой исследователи сталкиваются при визуализации атомов, заключается в том, что они очень малы, размером от 0,1 до 0,4 нанометра, и могут двигаться с очень высокими скоростями — около 400 м/с в газовой фазе — по шкале скорости звука. Это делает получение прямых изображений атомов в действии очень трудным, а создание непрерывных визуальных представлений атомов в реальном времени остается одной из наиболее важных научных задач.

Профессор Андрей Клопистов из Школы химии Ноттингемского университета сказал: «Углеродные нанотрубки позволяют нам захватывать атомы, точно позиционировать их и изучать их на уровне отдельных атомов в режиме реального времени. Например, мы успешно поймали благородный газ криптон. Атомы (Kr) в данном исследовании. Поскольку Kr имеет высокий атомный номер, его легче наблюдать в ПЭМ, чем более легкие элементы. «Это позволило нам отслеживать положения атомов Kr как движущихся точек».

Профессор Уте Кайзер, бывший руководитель группы электронной микроскопии по материаловедению и старший профессор Ульмского университета, добавил: «Мы использовали новейшую систему SALVE TEM, которая корректирует хроматические и сферические аберрации, чтобы наблюдать процесс образования атомов криптона. объединившись, чтобы сформировать Кр».₂ Пары».

«Эти пары удерживаются вместе благодаря взаимодействию Ван-дер-Ваальса, загадочной силе, которая управляет миром молекул и атомов. Это захватывающее нововведение, поскольку оно позволяет нам видеть расстояние Ван-дер-Ваальса между двумя атомами в реальном пространстве. Оно является важным достижением в области химии и физики и может помочь нам понять, как лучше работают атомы и молекулы».

Исследователи использовали фуллерены Бакминстера, молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, для переноса отдельных атомов Kr в нанотрубки. Слияние молекул бакминстерфуллерена с образованием взаимосвязанных углеродных нанотрубок помогло повысить точность экспериментов.

Ян Кардилло-Залло, доктор философии. Студент Ноттингемского университета, отвечавший за подготовку и анализ этих материалов, рассказал: «Атомы криптона можно высвободить из полостей фуллеренов путем плавления углеродных каркасов. Этого можно добиться путем нагревания при температуре 1200 градусов Цельсия или облучения электронный луч». «Межмомные связи между атомами Kr и их газоподобное динамическое поведение можно изучить в одном эксперименте TEM».

Группе удалось напрямую наблюдать, как атомы Kr выходят из фуллереновых клеток и образуют одномерный газ. После освобождения от своих молекул-носителей атомы Kr могут двигаться только в одном измерении вдоль канала нанотрубки из-за чрезвычайно узкого пространства. Атомы в ряду связанных атомов Kr не могут разъехаться друг с другом и вынуждены замедляться, как автомобили в пробке.

Команда зафиксировала решающий этап, когда изолированные атомы Kr превращаются в одномерный газ, в результате чего анизотропия одного атома исчезает в ПЭМ. Однако дополнительные методы сканирования ПЭМ (STEM) и спектроскопии потерь энергии электронов (EELS) позволили отслеживать движение атомов внутри каждой нанотрубки, отображая их химические характеристики.

«Фокусируя электронный луч на диаметр, намного меньший, чем размер атома, мы можем сканировать наноразмерную пробирку и записывать спектры отдельных атомов, оказавшихся внутри», — сказал профессор Квентин Рамаси, директор SuperSTEM, национального исследовательского центра EPSRC. объекта, «даже если эти атомы движутся». «Это дает нам спектральную карту одномерного газа, подтверждающую, что атомы делокализованы и заполняют все доступное пространство, как это делает обычный газ».

Профессор Пол Браун, директор Центра нано- и микроволновых исследований (nmRC) Ноттингемского университета, сказал: «Насколько нам известно, это первый случай, когда цепочки атомов благородных газов были непосредственно отображены, создавая «одномерную картину». газ в твердом теле». Такие сильно связанные атомные системы могут проявлять весьма необычные свойства в области теплопроводности и диффузии. Просвечивающая электронная микроскопия сыграла решающую роль в понимании динамики атомов в реальном времени и в прямом пространстве».

Команда планирует использовать электронную микроскопию для изображения контролируемых температурой фазовых переходов и химических реакций в одномерных системах, чтобы раскрыть секреты таких необычных состояний материи.