För första gången har forskare framgångsrikt fångat atomer av krypton (Kr), en ädelgas, inuti ett kolnanorör för att bilda en endimensionell gas.
Forskare från University of Nottingham's School of Chemistry använde avancerade transmissionselektronmikroskopi (TEM) metoder för att fånga ögonblicket när Kr-atomer förenades, en efter en, inuti en "nanoprovrör"-behållare med diametern en halv miljon gånger mindre än bredden av ett människohår. Forskningen har publicerats i ACS Nano .
Atomers beteende har studerats av forskare ända sedan det antogs att de är universums grundläggande enheter. Atomers rörelse har betydande inverkan på fundamentala fenomen som temperatur, tryck, vätskeflöde och kemiska reaktioner.
Traditionella spektroskopimetoder kan analysera förflyttningen av stora grupper av atomer och sedan använda genomsnittliga data för att förklara fenomen i atomär skala. Dessa metoder visar dock inte vad enskilda atomer gör vid en specifik tidpunkt.
Utmaningen som forskarna står inför när de avbildar atomer är att de är mycket små, som sträcker sig från 0,1–0,4 nanometer, och de kan röra sig med mycket höga hastigheter på runt 400 m/s i gasfasen, på skalan för ljudets hastighet. Detta gör direkt avbildning av atomer i aktion mycket svårt, och skapandet av kontinuerliga visuella representationer av atomer i realtid är fortfarande en av de viktigaste vetenskapliga utmaningarna.
Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, sa:"Kolnanorör gör det möjligt för oss att fånga atomer och exakt positionera och studera dem på enatomsnivå i realtid. Till exempel lyckades vi fånga ädelgaskrypton (Kr. ) atomer i denna studie Eftersom Kr har ett högt atomnummer är det lättare att observera i en TEM än lättare grundämnen. Detta gjorde att vi kunde spåra positionerna för Kr-atomer som rörliga prickar
Professor Ute Kaiser, tidigare chef för gruppen Electron Microscopy of Materials Science, senior professor vid University of Ulm, tillade:"Vi använde vår toppmoderna SALVE TEM, som korrigerar kromatiska och sfäriska aberrationer, för att observera processen av kryptonatomer som går samman för att bilda Kr2 par."
"Dessa par hålls samman av van der Waals interaktion, som är en mystisk kraft som styr världen av molekyler och atomer. Detta är en spännande innovation, eftersom den gör att vi kan se van der Waals avstånd mellan två atomer i verkliga rymden. Det är en betydande utveckling inom området kemi och fysik som kan hjälpa oss att bättre förstå hur atomer och molekyler fungerar."
Forskarna använde Buckminster fullerener, som är fotbollsformade molekyler som består av 60 kolatomer, för att transportera enskilda Kr-atomer till nanoprovrör. Koalescensen av buckminsterfullerenmolekyler för att skapa kapslade kolnanorör bidrog till att förbättra precisionen i experimenten.
Ian Cardillo-Zallo, en Ph.D. student vid University of Nottingham, som var ansvarig för beredningen och analysen av dessa material, sa:"Kryptonatomer kan frigöras från fullerenkaviteterna genom att smälta kolburarna. Detta kan uppnås genom uppvärmning vid 1 200°C eller bestrålning med en elektronstråle interatomisk bindning mellan Kr-atomer och deras dynamiska gasliknande beteende kan båda studeras i ett enda TEM-experiment."
Gruppen har direkt kunnat observera Kr-atomer som lämnar fullerenburar för att bilda en endimensionell gas. När de väl är befriade från sina bärarmolekyler kan Kr-atomer bara röra sig i en dimension längs nanorörskanalen på grund av det extremt smala utrymmet. Atomerna i raden av begränsade Kr-atomer kan inte passera varandra och tvingas sakta ner, som fordon i trafikstockningar.
Teamet fångade det avgörande skedet när isolerade Kr-atomer övergår till en 1D-gas, vilket gör att kontrasten med en atom försvinner i TEM. Icke desto mindre kunde de kompletterande teknikerna för scanning av TEM (STEM) avbildning och elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) spåra atomernas rörelse inom varje nanorör genom kartläggningen av deras kemiska signaturer.
Professor Quentin Ramasse, chef för SuperSTEM, en EPSRC National Research Facility, sa:"Genom att fokusera elektronstrålen till en diameter som är mycket mindre än atomstorleken, kan vi skanna över nanoprovröret och registrera spektra av individuella atomer inneslutna inom , även om dessa atomer rör sig. Detta ger oss en spektralkarta över den endimensionella gasen, vilket bekräftar att atomerna är delokaliserade och fyller allt tillgängligt utrymme, som en vanlig gas skulle göra."
Professor Paul Brown, chef för Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), University of Nottingham, sa:"Såvitt vi vet är detta första gången som kedjor av ädelgasatomer har avbildats direkt, vilket leder till skapandet av en endimensionell gas i ett fast material. Sådana starkt korrelerade atomsystem kan uppvisa mycket ovanliga värmelednings- och diffusionsegenskaper. P>
Teamet planerar att använda elektronmikroskopi för att avbilda temperaturkontrollerade fasövergångar och kemiska reaktioner i endimensionella system, för att låsa upp hemligheterna bakom sådana ovanliga materiatillstånd.
Mer information: Atomisk skala tidsupplöst avbildning av kryptondimerer och -kedjor och övergången till en endimensionell gas, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av University of Nottingham
