Wetenschappers vangen krypton-atomen op om eendimensionaal gas te vormen

Voor het eerst zijn wetenschappers erin geslaagd atomen van krypton (Kr), een edelgas, in een koolstofnanobuisje te vangen om een ​​eendimensionaal gas te vormen.

Wetenschappers van de School of Chemistry van de Universiteit van Nottingham gebruikten geavanceerde transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-methoden om het moment vast te leggen waarop Kr-atomen één voor één samenkwamen in een ‘nano-reageerbuis’-container met een diameter die een half miljoen keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Het onderzoek is geweest gepubliceerd in ACS Nano.

Het gedrag van atomen wordt door wetenschappers bestudeerd sinds de hypothese bestond dat zij de basiseenheden van het universum zijn. De beweging van atomen heeft een aanzienlijke impact op fundamentele verschijnselen zoals temperatuur, druk, vloeistofstroming en chemische reacties.

Traditionele spectroscopiemethoden kunnen de beweging van grote groepen atomen analyseren en vervolgens gemiddelde gegevens gebruiken om verschijnselen op atomaire schaal te verklaren. Deze methoden laten echter niet zien wat individuele atomen op een specifiek tijdstip doen.

De uitdaging waarmee onderzoekers worden geconfronteerd bij het in beeld brengen van atomen is dat ze erg klein zijn, variërend van 0,1 tot 0,4 nanometer, en dat ze zich met zeer hoge snelheden van ongeveer 400 m/s in de gasfase kunnen bewegen, op de schaal van de geluidssnelheid. Dit maakt de directe beeldvorming van atomen in actie erg moeilijk, en het creëren van continue visuele representaties van atomen in realtime blijft een van de belangrijkste wetenschappelijke uitdagingen.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, Universiteit van Nottingham, zei: “Koolstofnanobuisjes stellen ons in staat atomen in te vangen en ze nauwkeurig in realtime te positioneren en te bestuderen op het niveau van één atoom. We hebben bijvoorbeeld met succes edelgas krypton (Kr ) atomen in deze studie. Omdat Kr een hoog atoomnummer heeft, is het gemakkelijker waar te nemen in een TEM dan lichtere elementen. Hierdoor konden we de posities van Kr-atomen volgen als bewegende stippen.’

Professor Ute Kaiser, voormalig hoofd van de Electron Microscopy of Materials Science-groep, senior professor aan de Universiteit van Ulm, voegde hieraan toe: “We hebben onze ultramoderne SALVE TEM gebruikt, die chromatische en sferische aberraties corrigeert, om het proces te observeren van krypton-atomen die samenkomen om Kr te vormen₂ paren.”

“Deze paren worden bij elkaar gehouden door de van der Waals-interactie, een mysterieuze kracht die de wereld van moleculen en atomen regeert. Dit is een opwindende innovatie, omdat het ons in staat stelt de van der Waals-afstand tussen twee atomen in de echte ruimte te zien. Het is een belangrijke ontwikkeling op het gebied van scheikunde en natuurkunde die ons kan helpen de werking van atomen en moleculen beter te begrijpen.”

De onderzoekers gebruikten Buckminster-fullerenen, voetbalvormige moleculen bestaande uit 60 koolstofatomen, om individuele Kr-atomen in nano-reageerbuizen te transporteren. De coalescentie van buckminsterfullereenmoleculen om geneste koolstofnanobuisjes te creëren, hielp de nauwkeurigheid van de experimenten te verbeteren.

Ian Cardillo-Zallo, een Ph.D. student aan de Universiteit van Nottingham, die verantwoordelijk was voor de bereiding en analyse van deze materialen, zei: “Krypton-atomen kunnen vrijkomen uit de fullereenholten door de koolstofkooien te laten samensmelten. Dit kan worden bereikt door te verwarmen tot 1200 ° C of te bestralen met een elektronenbundel. Interatomaire bindingen tussen Kr-atomen en hun dynamische gasachtige gedrag kunnen beide worden bestudeerd in een enkel TEM-experiment.”

De groep heeft Kr-atomen rechtstreeks kunnen observeren die fullereenkooien verlaten en een eendimensionaal gas vormen. Eenmaal bevrijd van hun dragermoleculen kunnen Kr-atomen vanwege de extreem smalle ruimte slechts in één dimensie langs het nanobuiskanaal bewegen. De atomen in de rij van opgesloten Kr-atomen kunnen elkaar niet passeren en worden gedwongen langzamer te rijden, net als voertuigen in verkeersopstoppingen.

Het team heeft de cruciale fase vastgelegd waarin geïsoleerde Kr-atomen overgaan naar een 1D-gas, waardoor het contrast van één atoom in de TEM verdwijnt. Niettemin waren de complementaire technieken van het scannen van TEM (STEM) beeldvorming en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) in staat om de beweging van atomen in elke nanobuis te volgen door hun chemische handtekeningen in kaart te brengen.

Professor Quentin Ramasse, directeur van SuperSTEM, een nationale onderzoeksfaciliteit van de EPSRC, zei: “Door de elektronenbundel te focussen op een diameter die veel kleiner is dan de atomaire grootte, zijn we in staat om door de nano-reageerbuis te scannen en spectra van individuele atomen op te nemen die zich daarin bevinden. “, zelfs als deze atomen in beweging zijn. Dit geeft ons een spectrale kaart van het eendimensionale gas, wat bevestigt dat de atomen gedelokaliseerd zijn en alle beschikbare ruimte vullen, zoals een normaal gas zou doen.”

Professor Paul Brown, directeur van het Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), Universiteit van Nottingham, zei: “Voor zover we weten is dit de eerste keer dat ketens van edelgasatomen rechtstreeks in beeld zijn gebracht, wat heeft geleid tot de creatie van een eendimensionaal gas in een vast materiaal. Dergelijke sterk gecorreleerde atomaire systemen kunnen zeer ongebruikelijke warmtegeleidings- en diffusie-eigenschappen vertonen. Transmissie-elektronenmicroscopie heeft een cruciale rol gespeeld bij het begrijpen van de dynamiek van atomen in realtime en directe ruimte.’

Het team is van plan elektronenmicroscopie te gebruiken om temperatuurgecontroleerde faseovergangen en chemische reacties in eendimensionale systemen in beeld te brengen, om zo de geheimen van dergelijke ongebruikelijke toestanden van materie te ontsluiten.