物理学家创造一维惰性气体

诺丁汉大学的物理学家利用先进的透射电子显微镜(TEM)方法，成功地将氪原子捕获在碳纳米管内，形成一维气体。

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。

传统的光谱方法可以分析大量原子的运动，然后使用平均数据来解释原子尺度的现象。

然而，这些方法并没有显示单个原子在特定时间点正在做什么。

物理学家在对原子进行成像时面临的挑战是，它们非常小，范围为 0.1-0.4 nm，而且它们在气相中可以以大约 400 m/s 的极高速度移动，相当于声速。

这使得对运动中的原子进行直接成像非常困难，并且实时创建原子的连续视觉表示仍然是最重大的科学挑战之一。

“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，”诺丁汉大学教授安德烈·赫洛比斯托夫(Andrei Khlobystov)说。

“例如，我们在研究中成功捕获了惰性气体氪(Kr)原子。”

“由于氪的原子序数很高，因此在 TEM 中比轻元素更容易观察到。这使我们能够以移动点的形式追踪氪原子的位置。”

“我们使用最先进的 SALVE TEM(可校正色差和球差)来观察氪原子结合在一起形成氪对的过程，”乌尔姆大学教授 Ute Kaiser 说道。

“这些对通过范德华相互作用结合在一起，这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。”

“这是化学和物理领域的一项重大发展，可以帮助我们更好地理解原子和分子的工作原理。”

研究作者利用巴克敏斯特富勒烯(由 60 个碳原子组成的足球形状的分子)将单个氪原子传输到测试纳米管中。

巴克明斯特富勒烯分子聚结形成嵌套碳纳米管有助于提高实验的精度。

“通过融合碳笼，氪原子可以从富勒烯腔中释放出来，”博士伊恩·卡迪略-扎洛(Ian Cardillo-Zallo)说。诺丁汉大学的学生。

“这可以通过 1200 摄氏度的加热或电子束照射来实现。”

“氪原子之间的原子间键合及其动态气体行为都可以在单个 TEM 实验中进行研究。”

该团队能够直接观察氪原子离开富勒烯笼形成一维气体。

一旦脱离载体分子，由于空间极其狭窄，氪原子只能沿着纳米管通道在一维移动。

一排受约束的氪原子中的原子无法相互通过，被迫减速，就像交通拥堵中的车辆一样。

科学家们捕捉到了孤立氪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 TEM (STEM) 成像和电子能量损失光谱 (EELS) 的互补技术能够通过绘制化学特征来追踪每个纳米管内原子的运动。

SuperSTEM 主任 Quentin Ramasse 教授表示：“通过将电子束聚焦到比原子尺寸小得多的直径，我们能够扫描测试纳米管并记录限制在其中的单个原子的光谱，即使这些原子在移动。” ，EPSRC 国家研究机构。

“这为我们提供了一维气体的光谱图，证实了原子是离域的并填充了所有可用空间，就像普通气体一样。”

“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，”诺丁汉大学教授保罗·布朗说。

“这种强相关的原子系统可能表现出极不寻常的导热和扩散特性。”

“透射电子显微镜在理解实时和直接空间中的原子动力学方面发挥了至关重要的作用。”

研究结果发表在《ACS Nano》杂志上。