Per la prima volta, gli scienziati sono riusciti a intrappolare atomi di krypton (Kr), un gas nobile, all'interno di un nanotubo di carbonio per formare un gas unidimensionale.
Gli scienziati della School of Chemistry dell'Università di Nottingham hanno utilizzato metodi avanzati di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per catturare il momento in cui gli atomi di Kr si uniscono, uno per uno, all'interno di un contenitore "nano provetta" con diametro mezzo milione di volte inferiore alla larghezza di un capello umano. La ricerca è stata pubblicata su ACS Nano .
Il comportamento degli atomi è stato studiato dagli scienziati fin da quando si ipotizzò che fossero le unità fondamentali dell'universo. Il movimento degli atomi ha un impatto significativo su fenomeni fondamentali come la temperatura, la pressione, il flusso dei fluidi e le reazioni chimiche.
I metodi tradizionali di spettroscopia possono analizzare il movimento di grandi gruppi di atomi e quindi utilizzare i dati medi per spiegare i fenomeni su scala atomica. Tuttavia, questi metodi non mostrano cosa stanno facendo i singoli atomi in un momento specifico.
La sfida che i ricercatori devono affrontare quando si fotografano gli atomi è che sono molto piccoli, da 0,1 a 0,4 nanometri, e possono muoversi a velocità molto elevate, pari a circa 400 m/s in fase gassosa, sulla scala della velocità del suono. Ciò rende molto difficile l'imaging diretto degli atomi in azione e la creazione di rappresentazioni visive continue degli atomi in tempo reale rimane una delle sfide scientifiche più significative.
Il professor Andrei Khlobystov, Facoltà di Chimica, Università di Nottingham, ha dichiarato:"I nanotubi di carbonio ci consentono di intrappolare gli atomi e posizionarli accuratamente e studiarli a livello di singolo atomo in tempo reale. Ad esempio, abbiamo intrappolato con successo il gas nobile krypton (Kr ) in questo studio Poiché Kr ha un numero atomico elevato, è più facile da osservare in un TEM rispetto agli elementi più leggeri. Questo ci ha permesso di tracciare le posizioni degli atomi di Kr come punti in movimento."
Il professor Ute Kaiser, ex capo del gruppo di microscopia elettronica di scienza dei materiali, professore senior presso l'Università di Ulm, ha aggiunto:"Abbiamo utilizzato il nostro sistema all'avanguardia SALVE TEM, che corregge le aberrazioni cromatiche e sferiche, per osservare il processo di atomi di kripton che si uniscono per formare Kr2 coppie."
"Queste coppie sono tenute insieme dall'interazione di van der Waals, che è una forza misteriosa che governa il mondo delle molecole e degli atomi. Questa è un'innovazione entusiasmante, poiché ci permette di vedere la distanza di van der Waals tra due atomi nello spazio reale. Si tratta di uno sviluppo significativo nel campo della chimica e della fisica che può aiutarci a comprendere meglio il funzionamento di atomi e molecole."
I ricercatori hanno utilizzato i fullereni di Buckminster, che sono molecole a forma di pallone da calcio costituite da 60 atomi di carbonio, per trasportare i singoli atomi di Kr in nano provette. La coalescenza delle molecole di buckminsterfullerene per creare nanotubi di carbonio annidati ha contribuito a migliorare la precisione degli esperimenti.
Ian Cardillo-Zallo, un dottorato di ricerca. Uno studente dell'Università di Nottingham, responsabile della preparazione e dell'analisi di questi materiali, ha affermato:"Gli atomi di kripton possono essere rilasciati dalle cavità del fullerene fondendo le gabbie di carbonio. Ciò può essere ottenuto riscaldando a 1.200°C o irradiando con un fascio di elettroni. Il legame interatomico tra gli atomi di Kr e il loro comportamento dinamico simile a un gas possono essere entrambi studiati in un singolo esperimento TEM."
Il gruppo è stato in grado di osservare direttamente gli atomi di Kr che escono dalle gabbie del fullerene per formare un gas unidimensionale. Una volta liberati dalle loro molecole portatrici, gli atomi di Kr possono muoversi solo in una dimensione lungo il canale dei nanotubi a causa dello spazio estremamente ristretto. Gli atomi nella fila di atomi di Kr vincolati non possono incrociarsi e sono costretti a rallentare, come i veicoli nella congestione del traffico.
Il team ha catturato la fase cruciale in cui gli atomi di Kr isolati passano a un gas 1D, causando la scomparsa del contrasto del singolo atomo nel TEM. Tuttavia, le tecniche complementari di imaging a scansione TEM (STEM) e spettroscopia di perdita di energia elettronica (EELS) sono state in grado di tracciare il movimento degli atomi all'interno di ciascun nanotubo attraverso la mappatura delle loro firme chimiche.
Il professor Quentin Ramasse, direttore di SuperSTEM, un centro di ricerca nazionale dell'EPSRC, ha dichiarato:"Focalizzando il fascio di elettroni su un diametro molto più piccolo della dimensione atomica, siamo in grado di eseguire la scansione attraverso la nano provetta e registrare gli spettri dei singoli atomi confinati all'interno , anche se questi atomi si muovono. Questo ci fornisce una mappa spettrale del gas unidimensionale, confermando che gli atomi sono delocalizzati e riempiono tutto lo spazio disponibile, come farebbe un gas normale."
Il professor Paul Brown, direttore del Centro di ricerca su nanoscala e microscala (nmRC), Università di Nottingham, ha dichiarato:"Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che catene di atomi di gas nobili sono state fotografate direttamente, portando alla creazione di un gas unidimensionale in un materiale solido. Tali sistemi atomici fortemente correlati possono mostrare proprietà di conduttanza e diffusione del calore altamente insolite. La microscopia elettronica a trasmissione ha svolto un ruolo cruciale nella comprensione della dinamica degli atomi in tempo reale e nello spazio diretto. P>
Il team prevede di utilizzare la microscopia elettronica per visualizzare transizioni di fase a temperatura controllata e reazioni chimiche in sistemi unidimensionali, per svelare i segreti di tali stati insoliti della materia.
Ulteriori informazioni: Imaging risolta nel tempo su scala atomica di dimeri e catene di kripton e transizione a un gas unidimensionale, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853
Informazioni sul giornale: ACS Nano
Fornito dall'Università di Nottingham
