Forskere fanger kryptonatomer for at danne en-dimensionel gas

Professor Ute Kaiser, tidligere leder af Electron Microscopy of Materials Science-gruppen, seniorprofessor ved University of Ulm, tilføjede:"Vi brugte vores state-of-the-art SALVE TEM, som korrigerer kromatiske og sfæriske aberrationer, til at observere processen af kryptonatomer, der går sammen og danner Kr₂ par."

"Disse par holdes sammen af ​​van der Waals interaktion, som er en mystisk kraft, der styrer verden af ​​molekyler og atomer. Dette er en spændende nyskabelse, da den giver os mulighed for at se van der Waals afstand mellem to atomer i det virkelige rum. Det er en væsentlig udvikling inden for kemi og fysik, der kan hjælpe os med bedre at forstå atomers og molekylers funktion."

Forskerne brugte Buckminster fullerener, som er fodboldformede molekyler bestående af 60 kulstofatomer, til at transportere individuelle Kr-atomer ind i nano-reagensglas. Sammensmeltningen af ​​buckminsterfulleren-molekyler til at skabe indlejrede kulstof-nanorør hjalp med at forbedre præcisionen af ​​eksperimenterne.

Ian Cardillo-Zallo, en ph.d. studerende ved University of Nottingham, som var ansvarlig for forberedelsen og analysen af ​​disse materialer, sagde:"Krypton-atomer kan frigives fra fulleren-hulrummene ved at sammensmelte kulstofburene. Dette kan opnås ved at opvarme til 1.200°C eller bestråle med en interatomisk binding mellem Kr-atomer og deres dynamiske gaslignende adfærd kan begge studeres i et enkelt TEM-eksperiment."

Gruppen har været i stand til direkte at observere Kr-atomer, der forlader fullerenbure for at danne en endimensionel gas. Når først de er befriet fra deres bærermolekyler, kan Kr-atomer kun bevæge sig i én dimension langs nanorørkanalen på grund af det ekstremt smalle rum. Atomerne i rækken af ​​begrænsede Kr-atomer kan ikke passere hinanden og er tvunget til at bremse, ligesom køretøjer i trafikpropper.

Holdet fangede det afgørende stadie, da isolerede Kr-atomer overgik til en 1D-gas, hvilket fik enkeltatom-kontrast til at forsvinde i TEM. Ikke desto mindre var de komplementære teknikker til scanning af TEM (STEM) billeddannelse og elektronenergitabsspektroskopi (EELS) i stand til at spore bevægelsen af ​​atomer inden for hvert nanorør gennem kortlægningen af ​​deres kemiske signaturer.

Professor Quentin Ramasse, direktør for SuperSTEM, en EPSRC National Research Facility, sagde:"Ved at fokusere elektronstrålen til en diameter, der er meget mindre end atomstørrelsen, er vi i stand til at scanne hen over nano-reagensglasset og registrere spektre af individuelle atomer indespærret i , selvom disse atomer bevæger sig. Dette giver os et spektralkort over den endimensionelle gas, der bekræfter, at atomerne er delokaliseret og fylder alt tilgængeligt rum, som en normal gas ville gøre."

Professor Paul Brown, direktør for Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), University of Nottingham, sagde:"Så vidt vi ved, er det første gang, at kæder af ædelgasatomer er blevet afbildet direkte, hvilket fører til skabelsen af en endimensionel gas i et fast materiale. Sådanne stærkt korrelerede atomsystemer kan udvise meget usædvanlige varmelednings- og diffusionsegenskaber. P>

Holdet planlægger at bruge elektronmikroskopi til at afbilde temperaturkontrollerede faseovergange og kemiske reaktioner i endimensionelle systemer for at låse op for hemmelighederne bag sådanne usædvanlige tilstande af stof.

Flere oplysninger: Atomisk skala tidsopløst billeddannelse af krypton-dimere og -kæder og overgangen til en endimensionel gas, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af University of Nottingham