Kryptonul (Kr) este un gaz inert, folosit anterior pentru a umple becurile și lămpile fluorescente, iar acum – de exemplu, geamurile termoizolante la ferestre sau în motoarele ionice ale sateliților Starlink. Deoarece criptonul este produs în procesul de dezintegrare radioactivă, descoperirea sa ne permite să localizăm noi zăcăminte de uraniu sau să detectăm instalații nucleare ilegale.

Oamenii de știință de la Universitatea din Nottingham au folosit tehnici avansate de microscopie electronică cu transmisie (TEM) pentru a capta momentul în care atomii de Kr se fuzionează, unul câte unul, într-un nanotub de carbon de o jumătate de milion de ori mai mic decât lățimea unui păr uman.

Cercetările privind comportamentul atomilor au fost efectuate de secole. Mișcarea atomilor are un impact semnificativ asupra fenomenelor fundamentale precum temperatura, presiunea, curgerea fluidului și reacțiile chimice. Metodele tradiționale de spectroscopie analizează mișcarea grupurilor mari de atomi și apoi folosesc datele medii pentru a explica fenomenele la nivel atomic. Cu toate acestea, aceste metode nu arată ce fac atomii individuali la un moment dat.

Imaginarea atomilor de gaz este foarte dificilă: sunt foarte mici (0,1 până la 0,4 nanometri) și se pot deplasa la viteze foarte mari – aproximativ 400 m/s, ceea ce corespunde cu viteza sunetului. Prin urmare, crearea de reprezentări vizuale continue ale atomilor în timp real rămâne una dintre cele mai importante provocări științifice.

„Nanotuburile de carbon ne permit să captăm și să plasăm cu precizie atomi și să-i studiem la nivel de un singur atom în timp real. De exemplu, în acest studiu am prins cu succes atomii de cripton. Deoarece Kr are un număr atomic mare, este mai ușor de observat în un TEM decât în ​​elementele „Cele mai ușoare. Acest lucru ne-a permis să urmărim poziția atomilor Kr sub formă de puncte în mișcare”. Andrey Khlobystov este de la Departamentul de Chimie a Universității din Nottingham.

„Pentru a monitoriza procesul, am folosit o cameră SALVE TEM de ultimă generație, care corectează aberațiile cromatice și sferice ale atomilor de criptoni fuzionați în perechi Kr2. Aceste perechi sunt ținute împreună prin interacțiunea van der Waals, forța misterioasă care guvernează lumea moleculelor și a atomilor. Aceasta este o inovație interesantă, deoarece ne permite să vedem distanța Van der Waals dintre doi atomi în spațiul real. „Acesta este un progres major în chimie și fizică și ne poate ajuta să înțelegem mai bine cum atomii și moleculele funcționează”, a adăugat profesorul Ute Kaiser de la Universitatea din Ulm.

Pentru a transfera atomi individuali de cripton în nanotuburi, oamenii de știință au folosit fullerene, molecule în formă de fotbal formate din 60 de atomi de carbon. Fulerenele legate de nanotuburi (coalescență) sub influența temperaturii ridicate sau a iradierii cu fascicul de electroni.

Grupul a putut observa direct atomii de Kr care își părăsesc cuștile fullerene pentru a forma un gaz unidimensional. Odată eliberați de moleculele purtătoare, atomii de Kr se pot deplasa doar într-o singură dimensiune, de-a lungul canalului de nanotuburi, datorită spațiului extrem de îngust. Atomii dintr-un șir de atomi de Kr închiși nu pot trece unul pe altul și sunt forțați să încetinească, la fel ca vehiculele aflate într-un ambuteiaj. Echipa a surprins pasul cheie în care atomii de Kr izolați se transformă într-un gaz unidimensional, provocând dispariția anizotropiei cu un singur atom în TEM. Cu toate acestea, tehnicile complementare ale tomografiei cu scanare (STEM) și spectroscopiei cu pierderi de energie a electronilor (EELS) au făcut posibilă urmărirea mișcării atomilor din fiecare nanotub prin cartografierea amprentelor lor chimice.

Prin focalizarea fasciculului de electroni pe un diametru mult mai mic decât dimensiunea unui atom, oamenii de știință sunt capabili să scaneze un nanotub și să înregistreze spectrele atomilor individuali prinși în el, chiar dacă acești atomi se mișcă, subliniază profesorul Quentin Ramasi, directorul SuperSTEM, Centrul Național de Cercetare al EPSRC. „Acest lucru ne oferă o hartă spectrală a unui gaz unidimensional, confirmând că atomii sunt delocalizați și umplu tot spațiul disponibil, la fel cum o face gazul natural”, spune el.

„Din cunoștințele noastre, aceasta este prima dată când lanțurile de atomi de gaz nobili au fost fotografiate direct, creând un gaz unidimensional într-un solid. Astfel de aranjamente atomice extrem de interconectate pot prezenta proprietăți extraordinare de conducere și difuzie a căldurii”, co-autorul. adaugă. Microscopia electronică cu transmisie a jucat un rol cheie în înțelegerea dinamicii atomilor în timp real și în spațiul direct.” Publicaţii,Prof. Paul Brown, director al Centrului de Cercetare Nano și Microscale (nmRC) de la Universitatea din Nottingham.

Echipa intenționează să folosească microscopia electronică pentru a imagina tranzițiile de fază și reacțiile chimice controlate de temperatură în sisteme unidimensionale pentru a descoperi secretele unor astfel de stări neobișnuite ale materiei (PAP).

Paul Wernicke

bmw/fag/