Po prvi put, naučnici su uspešno uhvatili atome kriptona (Kr), plemenitog gasa, unutar ugljenične nanocevi kako bi formirali jednodimenzionalni gas.
Naučnici sa Hemijske škole Univerziteta u Notingemu koristili su napredne metode transmisione elektronske mikroskopije (TEM) kako bi uhvatili trenutak kada su se atomi Kr spojili, jedan po jedan, unutar kontejnera „nano epruvete“ prečnika pola miliona puta manjeg od širine. od ljudske kose. Istraživanje je objavljeno u ACS Nano.
Ponašanje atoma proučavaju naučnici otkako je postavljena hipoteza da su oni osnovne jedinice univerzuma. Kretanje atoma ima značajan uticaj na fundamentalne pojave kao što su temperatura, pritisak, protok tečnosti i hemijske reakcije.
Tradicionalne metode spektroskopije mogu analizirati kretanje velikih grupa atoma i zatim koristiti usrednjene podatke za objašnjenje fenomena na atomskoj skali. Međutim, ove metode ne pokazuju šta pojedinačni atomi rade u određenom trenutku.
Izazov sa kojim se istraživači suočavaju kada snimaju atome je da su oni veoma mali, u rasponu od 0,1–0,4 nanometara, i da se mogu kretati veoma velikim brzinama od oko 400 m/s u gasnoj fazi, na skali brzine zvuka. Ovo čini direktno snimanje atoma u akciji veoma teškim, a stvaranje kontinuiranih vizuelnih predstava atoma u realnom vremenu ostaje jedan od najznačajnijih naučnih izazova.
Profesor Andrej Hlobistov, Hemijski fakultet Univerziteta u Notingemu, rekao je: „Ugljenične nanocevi nam omogućavaju da uhvatimo atome i precizno ih pozicioniramo i proučavamo na nivou jednog atoma u realnom vremenu. Na primer, uspešno smo uhvatili plemeniti gas kripton (Kr. ) atoma u ovoj studiji. Pošto Kr ima visok atomski broj, lakše ga je posmatrati u TEM nego lakšim elementima. Ovo nam je omogućilo da pratimo položaje Kr atoma kao pokretnih tačaka.“
Profesor Ute Kaiser, bivši šef grupe za elektronsku mikroskopiju nauke o materijalima, viši profesor na Univerzitetu u Ulmu, dodao je: „Koristili smo naš najsavremeniji SALVE TEM, koji ispravlja hromatske i sferne aberacije, da posmatramo proces atoma kriptona koji se spajaju da bi formirali Kr 2 parove.“
„Ove parove drži van der Valsova interakcija, koja je misteriozna sila koja upravlja svetom molekula i atoma. Ovo je uzbudljiva inovacija, jer nam omogućava da vidimo van der Valsovu udaljenost između dva atoma u stvarnom prostoru. To je značajan razvoj u oblasti hemije i fizike koji nam može pomoći da bolje razumemo rad atoma i molekula.“
Istraživači su koristili Bakminsterove fulerene, koji su molekuli u obliku fudbala koji se sastoje od 60 atoma ugljenika, za transport pojedinačnih Kr atoma u nano epruvete. Spajanje molekula bakminsterfulerena za stvaranje ugnežđenih ugljeničnih nanocevi pomoglo je da se poboljša preciznost eksperimenata.
Ian Cardillo-Zallo, dr. student Univerziteta u Notingemu, koji je bio odgovoran za pripremu i analizu ovih materijala, rekao je: „Atomi kriptona mogu se osloboditi iz šupljina fulerena spajanjem ugljeničnih kaveza. Ovo se može postići zagrevanjem na 1.200°C ili zračenjem sa elektronski snop. Interatomska veza između Kr atoma i njihovo dinamičko ponašanje slično gasu mogu se proučavati u jednom TEM eksperimentu.“
Grupa je bila u stanju da direktno posmatra atome Kr koji izlaze iz fulerenskih kaveza i formiraju jednodimenzionalni gas. Jednom oslobođeni svojih molekula nosača, Kr atomi mogu da se kreću samo u jednoj dimenziji duž kanala nanocevi zbog izuzetno uskog prostora. Atomi u nizu ograničenih atoma Kr ne mogu da se mimoiđu i prinuđeni su da uspore, poput vozila u saobraćajnoj gužvi.
Tim je uhvatio ključnu fazu kada izolovani Kr atomi prelaze u 1D gas, uzrokujući da kontrast jednog atoma nestane u TEM. Bez obzira na to, komplementarne tehnike skeniranja TEM (STEM) snimanja i spektroskopije gubitka energije elektrona (EELS) bile su u stanju da prate kretanje atoma unutar svake nanocevi kroz mapiranje njihovih hemijskih potpisa.
Profesor Kuentin Ramasse, direktor SuperSTEM, EPSRC Nacionalne istraživačke ustanove, rekao je: „Fokusiranjem elektronskog zraka na prečnik mnogo manji od veličine atoma, u mogućnosti smo da skeniramo preko nano epruvete i snimimo spektre pojedinačnih atoma zatvorenih unutar , čak i ako se ovi atomi kreću. Ovo nam daje spektralnu mapu jednodimenzionalnog gasa, potvrđujući da su atomi delokalizovani i ispunjavaju sav raspoloživi prostor, kao što bi to uradio normalan gas.“
Profesor Pol Braun, direktor Centra za istraživanje nanorazmera i mikrorazmera (nmRC), Univerziteta u Notingemu, rekao je: „Koliko znamo, ovo je prvi put da su lanci atoma plemenitog gasa direktno snimljeni, što je dovelo do stvaranja jednodimenzionalni gas u čvrstom materijalu. Ovakvi atomski sistemi sa jakom korelacijom mogu pokazati veoma neobične karakteristike provodljivosti toplote i difuzije. Transmisiona elektronska mikroskopija je odigrala ključnu ulogu u razumevanju dinamike atoma u realnom vremenu i direktnom prostoru.“
Tim planira da koristi elektronsku mikroskopiju za snimanje faznih prelaza kontrolisanih temperaturom i hemijskih reakcija u jednodimenzionalnim sistemima, kako bi se otkrile tajne tako neobičnih stanja materije.
