Naukowcy z University of Nottingham dokonali odkrycia w dziedzinie badania ruchu atomów. Udało im się bowiem umieścić w bardzo cienkiej rurce gaz, dzięki czemu prowadzenie badań było łatwiejsze.

Zespół naukowców z University of Nottingham dokonał przełomowego odkrycia, które zostało opisane w czasopiśmie "ACS Nano". Badacze wprowadzili atomy kryptonu do nanorurki, tworząc w ten sposób "jednowymiarowy" gaz, który jest łatwiejszy do badania.

Krypton (Kr) jest gazem szlachetnym, który był używany w przeszłości do wypełniania żarówek i jarzeniówek. Obecnie jest wykorzystywany w różnych dziedzinach, na przykład do produkcji szyb zespolonych w oknach czy w silnikach jonowych satelitów Starlink. Krypton powstaje w procesie rozpadu promieniotwórczego, dlatego jego wykrywanie jest kluczowe dla lokalizacji nowych złóż uranu czy wykrywania nielegalnych instalacji nuklearnych.
Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Naukowcy z University of Nottingham zastosowali zaawansowane techniki transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), aby zaobserwować proces, w którym atomy kryptonu łączą się ze sobą, jeden po drugim, w nanorurce węglowej. Nanorurka ta jest niezwykle mała - jej średnica jest pół miliona razy mniejsza niż szerokość ludzkiego włosa.

Naukowcy od lat badają zachowanie atomów. Ruch atomów ma wpływ na wiele podstawowych zjawisk, takich jak temperatura, ciśnienie, przepływ płynu czy reakcje chemiczne. Tradycyjne metody spektroskopii umożliwiają analizę ruchu dużych grup atomów, a następnie wykorzystanie uśrednionych danych do wyjaśnienia zjawisk na poziomie atomowym. Niestety, te metody nie pozwalają na zrozumienie, co robią poszczególne atomy w danym momencie.

Obrazowanie atomów gazu jest niezwykle skomplikowane. Atomy te mają wymiary od 0,1 do 0,4 nanometra i mogą poruszać się z bardzo dużymi prędkościami - sięgającymi do 400 m/s, co odpowiada prędkości dźwięku. Dlatego tworzenie ciągłych wizualnych reprezentacji atomów w czasie rzeczywistym jest jednym z najważniejszych wyzwań naukowych.

- Nanorurki węglowe umożliwiają nam wychwytywanie atomów oraz dokładne pozycjonowanie i badanie ich na poziomie pojedynczego atomu w czasie rzeczywistym. Na przykład w tym badaniu z powodzeniem uwięziliśmy atomy kryptonu. Ponieważ Kr ma wysoką liczbę atomową, łatwiej go obserwować w TEM niż lżejsze pierwiastki. Umożliwiło nam to śledzenie pozycji atomów Kr w postaci poruszających się kropek – powiedział prof. Andrei Khlobystov z Wydziału Chemii University of Nottingham.

- Do obserwacji procesu wykorzystaliśmy nasz najnowocześniejszy aparat SALVE TEM, który koryguje aberracje chromatyczne i sferyczne atomów kryptonu łączących się w pary Kr2. Pary te są utrzymywane razem przez interakcję van der Waalsa, która jest tajemniczą siłą rządzącą światem cząsteczek i atomów. To ekscytująca innowacja, ponieważ pozwala nam zobaczyć odległość van der Waalsa między dwoma atomami w rzeczywistej przestrzeni. To znaczący postęp w dziedzinie chemii i fizyki, który może pomóc nam lepiej zrozumieć działanie atomów i cząsteczek – dodała profesor Ute Kaiser z uniwersytetu w Ulm.

Badacze wykorzystali fulereny, czyli cząsteczki w kształcie piłki nożnej składające się z 60 atomów węgla, do transportu pojedynczych atomów kryptonu do nanoprobówek. Fulereny łączyły się z nanorurką (koalescencja) pod wpływem wysokiej temperatury lub napromieniania wiązką elektronów.

Grupie badawczej udało się bezpośrednio zaobserwować atomy Kr opuszczające klatki fulerenowe, tworząc jednowymiarowy gaz. Po uwolnieniu od cząsteczek nośnika atomy Kr mogą poruszać się tylko w jednym wymiarze, wzdłuż kanału nanorurki, ze względu na niezwykle wąską przestrzeń. Atomy w rzędzie ograniczonych atomów Kr nie mogą się minąć i są zmuszone do zwolnienia, podobnie jak pojazdy w korku.

Zespół uchwycił kluczowy etap, w którym izolowane atomy Kr przechodzą w gaz 1D, powodując zanik kontrastu pojedynczego atomu w TEM. Jednak uzupełniające się techniki obrazowania skaningowego TEM (STEM) i spektroskopii strat energii elektronów (EELS) pozwoliły prześledzić ruch atomów w każdej nanorurce poprzez mapowanie ich sygnatur chemicznych.

Profesor Quentin Ramasse, dyrektor SuperSTEM, krajowego ośrodka badawczego EPSRC, podkreśla, że skupiając wiązkę elektronów na średnicy znacznie mniejszej niż rozmiar atomu, naukowcy są w stanie skanować nanoprobówkę i rejestrować widma poszczególnych atomów zamkniętych w jej wnętrzu, nawet jeśli te atomy się poruszają.

- Daje nam to mapę widmową jednowymiarowego gazu, potwierdzającą, że atomy są zdelokalizowane i wypełniają całą dostępną przestrzeń, tak jak zrobiłby to normalny gaz - mówi.

- O ile nam wiadomo, po raz pierwszy bezpośrednio sfotografowano łańcuchy atomów gazu szlachetnego, co doprowadziło do powstania jednowymiarowego gazu w materiale stałym. Takie silnie skorelowane układy atomowe mogą wykazywać bardzo nietypowe właściwości przewodzenia ciepła i dyfuzji. Transmisyjna mikroskopia elektronowa odegrała kluczową rolę w zrozumieniu dynamiki atomów w czasie rzeczywistym i przestrzeni bezpośredniej - dodaje współautor publikacji (DOI: 10.1021/acsnano.3c07853), prof. Paul Brown, dyrektor Centrum Badań nad Nanoskalą i Mikroskalą (nmRC) na University of Nottingham.

Zespół naukowy planuje kontynuować swoje badania, wykorzystując mikroskopię elektronową do obrazowania kontrolowanych temperaturowo przejść fazowych i reakcji chemicznych w układach jednowymiarowych. Celem jest odkrycie tajemnic tak niezwykłych stanów materii.