Forskare fångar kryptonatomer för att bilda en endimensionell gas

Graphical abstract. Credit: ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07853
Graphical abstract. Credit: ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07853

För första gången har forskare lyckats fånga atomer av krypton (Kr), en ädelgas, i ett kolnanorör för att bilda en endimensionell gas.

Forskare från University of Nottinghams School of Chemistry använde avancerade metoder för transmissionselektronmikroskopi (TEM) för att fånga ögonblicket när Kr-atomerna förenades, en efter en, inuti ett ”nanoprovrör” med en diameter som är en halv miljon gånger mindre än bredden på ett mänskligt hårstrå. Forskningen har publicerats i ACS Nano.

Atomernas beteende har studerats av forskare ända sedan man antog att de är universums grundläggande enheter. Atomernas rörelser har en betydande inverkan på fundamentala fenomen som temperatur, tryck, vätskeflöden och kemiska reaktioner.

Traditionella spektroskopimetoder kan analysera rörelsen hos stora grupper av atomer och sedan använda medelvärdesdata för att förklara fenomen på atomnivå. Dessa metoder visar dock inte vad enskilda atomer gör vid en specifik tidpunkt.

Den utmaning som forskarna står inför när de avbildar atomer är att de är mycket små, från 0,1-0,4 nanometer, och att de kan röra sig i mycket höga hastigheter på omkring 400 m/s i gasfas, vilket är i samma storleksordning som ljudets hastighet. Detta gör det mycket svårt att direkt avbilda atomer i aktion, och skapandet av kontinuerliga visuella representationer av atomer i realtid är fortfarande en av de största vetenskapliga utmaningarna.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, säger: ”Kolnanorör gör det möjligt för oss att fånga in atomer och exakt positionera och studera dem på enatomnivå i realtid. I den här studien lyckades vi till exempel fånga kryptonatomer (Kr) från ädelgasen. Eftersom Kr har ett högt atomnummer är det lättare att observera i ett TEM än lättare grundämnen. Detta gjorde det möjligt för oss att spåra Kr-atomernas positioner som rörliga prickar.”
Enstaka Kr-atomer inneslutna i C60-fullerenburar i nanorör. Kredit: University of Nottingham

Professor Ute Kaiser, tidigare chef för gruppen Electron Microscopy of Materials Science, senior professor vid universitetet i Ulm, tillade: ”Vi använde vårt toppmoderna SALVE TEM, som korrigerar kromatiska och sfäriska aberrationer, för att observera processen där kryptonatomer går samman för att bilda Kr2-par.”

”Dessa par hålls samman av van der Waals-interaktionen, som är en mystisk kraft som styr molekylernas och atomernas värld. Det här är en spännande innovation eftersom den gör det möjligt för oss att se van der Waals-avståndet mellan två atomer i verklig rymd. Det är en viktig utveckling inom kemi och fysik som kan hjälpa oss att bättre förstå hur atomer och molekyler fungerar.”

Forskarna använde Buckminster-fullerener, som är fotbollsformade molekyler bestående av 60 kolatomer, för att transportera enskilda Kr-atomer till nano-provrör. Sammansmältningen av buckminsterfullerenmolekyler för att skapa kapslade kolnanorör bidrog till att förbättra precisionen i experimenten.

Ian Cardillo-Zallo, doktorand vid University of Nottingham, som ansvarade för beredning och analys av dessa material, säger: ”Kryptonatomer kan frigöras från fullerenkaviteterna genom att kolburarna smälts samman. Detta kan åstadkommas genom upphettning till 1 200°C eller bestrålning med en elektronstråle. Interatomär 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 Kr-atomerna har frigjorts från sina bärarmolekyler kan de bara röra sig i en dimension längs nanorörskanalen på grund av det extremt trånga utrymmet. Atomerna i raden av begränsade Kr-atomer kan inte passera varandra och tvingas sakta ner, som fordon i en trafikstockning.

Teamet fångade det avgörande skedet när isolerade Kr-atomer övergår till en 1D-gas, vilket gör att kontrasten mellan enskilda atomer försvinner i TEM. Med hjälp av de kompletterande teknikerna scanning TEM (STEM) och elektronenergiförlustspektroskopi (EELS) kunde man dock spåra atomernas rörelser i varje nanorör genom att kartlägga deras kemiska signaturer.

Professor Quentin Ramasse, chef för SuperSTEM, en nationell forskningsanläggning inom EPSRC, säger: ”Genom att fokusera elektronstrålen till en diameter som är mycket mindre än atomstorleken kan vi skanna över nanoprovröret och registrera spektra för enskilda atomer som är inneslutna i röret, även om dessa atomer är i rörelse. Detta ger oss en spektral karta över den endimensionella gasen, vilket bekräftar att atomerna är delokaliserade och fyller allt tillgängligt utrymme, precis som en normal gas skulle göra.”

Professor Paul Brown, chef för Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), University of Nottingham, säger: ”Såvitt vi vet är detta första gången som kedjor av ädelgasatomer har avbildats direkt, vilket har lett till skapandet av en endimensionell gas i ett fast material. Sådana starkt korrelerade atomsystem kan uppvisa mycket ovanliga värmelednings- och diffusionsegenskaper. Transmissionselektronmikroskopi har spelat en avgörande roll för att förstå atomernas dynamik i realtid och direkt i rymden.”

Teamet planerar att använda elektronmikroskopi för att avbilda temperaturkontrollerade fasövergångar och kemiska reaktioner i endimensionella system, för att avslöja hemligheterna bakom sådana ovanliga materietillstånd.

Ytterligare information: Atomic-Scale Time-Resolved Imaging of Krypton Dimers and Chains and the Transition to a One-Dimensional Gas, ACS Nano (2024). DOI: 10.1021/acsnano.3c07853

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.