科学家将氪原子捕获在碳纳米管中以形成一维气体

科学家将氪原子捕获在碳纳米管中以形成一维气体

诺丁汉大学的研究人员通过将氪原子捕获在碳纳米管内,产生一维气体,取得了科学突破。这是使用先进的透射电子显微镜完成的,揭示了对原子行为和原子间力的见解。(艺术家的概念。

科学家将氪原子捕获在碳纳米管中,形成一维气体,并为原子行为和分子力提供了新的见解。

科学家们首次成功地将惰性气体氪(Kr)的原子捕获在碳纳米管内,形成一维气体。

诺丁汉大学化学学院的科学家使用先进的透射电子显微镜(TEM)方法捕捉了Kr原子在直径比人类头发宽度小五十万倍的“纳米试管”容器内一个接一个地连接在一起的时刻。该研究已发表在《美国化学学会杂志》上。

 

自从假设原子是宇宙的基本单位以来,科学家们就一直在研究原子的行为。原子的运动对温度、压力、流体流动和化学反应等基本现象有重大影响。传统的光谱学方法可以分析大群原子的运动,然后使用平均数据来解释原子尺度上的现象。然而,这些方法并没有显示单个原子在特定时间点在做什么。

原子成像的创新

研究人员在对原子进行成像时面临的挑战是,它们非常小,范围从0.1-0.4纳米不等,而且它们可以在气相中以大约400米/秒的非常高的速度移动,达到声速的规模。这使得对作用中的原子进行直接成像非常困难,实时创建原子的连续视觉表示仍然是最重要的科学挑战之一。

诺丁汉大学化学学院的Andrei Khlobystov教授说:“碳纳米管使我们能够捕获原子,并在单原子水平上实时准确地定位和研究它们。例如,我们在这项研究中成功地捕获了惰性气体氪(Kr)原子。由于 Kr 具有高原子序数,因此在 TEM 中比轻元素更容易观察到。这使我们能够将Kr原子的位置作为移动点进行跟踪。

乌尔姆大学材料科学电子显微镜小组前负责人、高级教授Ute Kaiser教授补充说:“我们使用最先进的SALVE TEM来校正色差和球面像差,以观察氪原子连接在一起形成Kr2对的过程。这些对通过范德华相互作用结合在一起,范德华相互作用是一种控制分子和原子世界的神秘力量。这是一项令人兴奋的创新,因为它使我们能够看到真实空间中两个原子之间的范德华距离。这是化学和物理学领域的一项重大发展,可以帮助我们更好地了解原子和分子的工作原理。

研究人员利用巴克敏斯特富勒烯(Buckminster Fullerlenes)是由60个碳原子组成的足球形分子,将单个Kr原子输送到纳米试管中。巴克敏斯特富勒烯分子的聚结以产生嵌套的碳纳米管有助于提高实验的精度。诺丁汉大学(University of Nottingham)的博士生伊恩·卡迪略-扎洛(Ian Cardillo-Zallo)负责这些材料的制备和分析,他说:“氪原子可以通过熔融碳笼从富勒烯腔中释放出来。这可以通过在 1200oC 下加热或用电子束照射来实现。Kr原子之间的原子间键合及其动态类气行为都可以在单个TEM实验中研究。

一维气体与未来研究

该小组已经能够直接观察到Kr原子离开富勒烯笼形成一维气体。一旦从载体分子中释放出来,由于空间极窄,Kr原子只能沿着纳米管通道在一维上移动。一排受约束的Kr原子中的原子不能相互通过,被迫减速,就像交通拥堵的车辆一样。该团队捕捉到了分离的Kr原子转变为一维气体的关键阶段,导致单原子对比度在TEM中消失。尽管如此,扫描透射电镜(STEM)成像和电子能量损失谱(EELS)的互补技术能够通过映射每个纳米管内原子的化学特征来追踪原子的运动。

EPSRC国家研究机构SuperSTEM主任Quentin Ramasse教授说:“通过将电子束聚焦到远小于原子尺寸的直径,我们能够扫描纳米试管并记录限制在其中的单个原子的光谱,即使这些原子正在移动。这为我们提供了一维气体的光谱图,确认原子是离域的,并像普通气体一样填充所有可用空间。

诺丁汉大学纳米尺度和微尺度研究中心(nmRC)主任Paul Brown教授说:“据我们所知,这是第一次直接对惰性气体原子链进行成像,从而在固体材料中产生一维气体。这种强相关的原子系统可能表现出非常不寻常的热导率和扩散特性。透射电子显微镜在实时和直接空间中理解原子动力学方面发挥了至关重要的作用。

该团队计划使用电子显微镜对一维系统中的温控相变和化学反应进行成像,以解开这种不寻常物质状态的秘密。

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