氪原子首次捕获并形成一维气体

科技 2024-01-23 04:36:58
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本文转自:科技日报

氪原子首次捕获并形成一维气体

有助理解原子和分子行为

【总编辑圈点】

科技日报北京1月22日电 (记者张佳欣)英国诺丁汉大学科研团队首次将惰性气体氪(Kr)的原子一个一个地捕获到碳纳米管中,形成一种一维气体,并用先进的透射电子显微镜拍摄了Kr原子在“纳米试管”(直径约为人头发宽度的50万分之一)容器中挨个接连在一起的状态。这是化学和物理领域的一项重大进展,有助科学家更好地理解原子和分子的行为。相关研究发表在22日的《美国化学学会》杂志上。

原子是宇宙的基本单位。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。传统的光谱学方法可分析大原子团的运动,然后使用平均数据来解释原子尺度上的现象。然而,这些方法并不能显示单个原子在特定时间点的行为。

原子非常小,从0.1纳米到0.4纳米不等,而且它们可在气相中以大约400米/秒的极高速度移动,与音速相当。这使得对原子的直接成像变得非常困难,而实时创建原子的连续视频仍是最重大的科学挑战之一。

碳纳米管使科学家能捕获原子,并在单原子水平上实时、准确地定位和研究它们。在本实验中,研究人员成功地捕获了惰性气体Kr的原子。由于Kr具有较高的原子序数,因此它比较轻的元素更容易观察到。这使研究人员能够像移动点一样追踪Kr原子的位置。

研究人员利用巴克明斯特富勒烯(由60个碳原子组成的足球状分子),将单个Kr原子输送到纳米管中。团队直接观察到,离开富勒烯笼的Kr原子形成一维气体。一旦脱离载体分子,由于空间极其狭窄,Kr原子只能沿着纳米管通道在一维空间中移动。一排受到约束的Kr原子无法穿越彼此而被迫减速,就像交通拥堵中的车辆一样。

研究人员称,这是第一次直接对惰性气体原子链进行成像,从而创造了固体材料中的一维气体。这种强关联的原子系统可能会表现出极不寻常的热导和扩散性质。

如何观察一个微小的、时刻高速运动的原子的状态?科研人员想出了一种方法:抓住它。科研团队将氪原子捕获到碳纳米管中,在这个狭小空间内,原子没有办法施展它“移形换影”的本事,只能乖乖沿着管道移动。于是,原子们都慢了下来,排成一排。“拥堵”在碳纳米管中的氪原子形成了一种一维气体,让科研人员能够观察单个原子的行动。而且,这种固体材料中的一维气体,或许还具备一些非同寻常的物理特性,能为新材料的研发提供灵感。

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