Naukowcy "nadmuchali" nanorurkę, żeby badać "jednowymiarowy” gaz

Krypton (Kr) to gaz szlachetny, wykorzystywany dawniej do wypełniania żarówek i jarzeniówek, a obecnie - na przykład szyb zespolonych w oknach czy w silnikach jonowych satelitów Starlink. Ponieważ krypton powstaje w procesie rozpadu promieniotwórczego, jego wykrywanie pozwala lokalizować nowe złoża uranu czy wykrywać nielegalne instalacje nuklearne.

Naukowcy z University of Nottingham wykorzystali zaawansowane metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), aby uchwycić moment, w którym atomy Kr łączą się ze sobą, jeden po drugim, w węglowej nanorurce o średnicy pół miliona razy mniejszej niż szerokość ludzkiego włosa.

Badania nad zachowaniem atomów prowadzone są od stuleci. Ruch atomów ma istotny wpływ na podstawowe zjawiska, takie jak temperatura, ciśnienie, przepływ płynu i reakcje chemiczne. Tradycyjne metody spektroskopii umożliwiają analizę ruchu dużych grup atomów, a następnie wykorzystanie uśrednionych danych do wyjaśnienia zjawisk w skali atomowej. Metody te nie pokazują jednak, co robią poszczególne atomy w określonym momencie.

Obrazowanie atomów gazu jest niezwykle trudne: są bardzo małe (od 0,1 do 0,4 nanometra) i mogą poruszać się z bardzo dużymi prędkościami - około 400 m/s, co odpowiada prędkości dźwięku. Dlatego tworzenie ciągłych wizualnych reprezentacji atomów w czasie rzeczywistym pozostaje 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.

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

Grupie 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, zaznacza, 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, prof. Paul Brown, dyrektor Centrum Badań nad Nanoskalą i Mikroskalą (nmRC) na University of Nottingham.

Zespół planuje wykorzystać mikroskopię elektronową do obrazowania kontrolowanych temperaturowo przejść fazowych i reakcji chemicznych w układach jednowymiarowych, aby odkryć tajemnice tak niezwykłych stanów materii.(PAP)

Paweł Wernicki

pmw/ zan/