Hvor mange argon atomer kan passe på overfladen af ​​et kulstof nanorør?

(PhysOrg.com) -- Faseovergange -- ændringer af stof fra en tilstand til en anden uden at ændre dets kemiske sammensætning -- er en vigtig del af livet i vores tredimensionelle verden. Vand falder til jorden som sne, smelter til en væske og fordamper til sidst tilbage til skyerne for at begynde cyklussen på ny.

Nu har et team af videnskabsmænd udtænkt en ny måde at udforske, hvordan sådanne faseovergange fungerer i mindre end tre dimensioner og på niveau med blot nogle få atomer. De håber, at teknikken vil være nyttig til at teste aspekter af, hvad der indtil nu har været rent teoretisk fysik, og de håber, at det også kan have praktiske anvendelser til at registrere forhold i meget små skalaer, såsom i en cellemembran.

De arbejdede med enkeltvæggede kulstof nanorør, ekstremt tynd, hule grafitstrukturer, der kan være så små, at de er næsten endimensionelle, at studere faseovergangsadfærden af ​​argon- og kryptonatomer.

"Fysikken kan være helt anderledes i færre end tre dimensioner, " sagde David Cobden, en lektor i fysik ved University of Washington og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver værket offentliggjort fredag ​​(29. januar) i Videnskab .

Medforfattere, alle fra UW, er Zenghui Wang, Jiang Wei, Peter Morse, J. Gregory Dash og Oscar Vilches.

For deres observationer, gruppen brugte kulstof nanorør, mikroskopiske cylindre, der har en vis tykkelse, men som er meget tæt på at være endimensionelle.

Faseovergange ændrer tætheden af ​​atomer. I dampform, der er færre atomer, og de er løst pakket. Væske har flere atomer, og de er tættere pakket. Det faste stof er en krystal dannet af meget tætpakkede atomer. For at bestemme fasen af ​​argon- og kryptonatomerne, forskerne brugte kulstofnanorøret meget som en guitarstreng strakt over en bånd. Et nærliggende stykke ledende metal påførte en elektrisk kraft for at oscillere strengen, og forskerne målte strømmen for at "lytte", efterhånden som vibrationsfrekvensen ændrede sig - en større masse af atomer, der klæber til nanorørets overflade, producerede en lavere frekvens.

"Du lytter til denne nano-guitar, og efterhånden som tonehøjden falder, ved du, at der er flere atomer, der klæber til overfladen, " sagde Cobden. "I princippet kan du høre et atom lande på røret - det er så følsomt."

Forskerne fandt også ud af, at nanorørets elektriske modstand ændrede sig, da kryptonatomer satte sig fast på overfladen.

I fremtiden, forskerne håber at kunne se, hvordan atomerne, når de befolker kulstof nanorøret, reagere på hinanden gennem forskellige faseovergange, og også hvordan de interagerer med nanorørets rene kulstofgrafit. De forventer at se nogle væsentlige forskelle i eksperimenter, der nærmer sig én dimension fra dem i to eller tre dimensioner.

"For eksempel, stof kan fryse i 3-D og i 2-D, men teoretisk set burde den ikke fryse i 1-D, " sagde Cobden.

Udover at tilbyde en testleje for fysikteorier, arbejdet kunne også være nyttigt til at registrere applikationer, såsom målinger i nanoskala i forskellige flydende miljøer, undersøge funktioner i cellemembraner eller sondere i nerver.

"Nanorør giver dig mulighed for at sondere ting på subcellulært niveau, " sagde Cobden.