يقوم العلماء بحبس ذرات الكريبتون لتكوين غاز أحادي البعد
بقلم كتاب فريق العمل في Nottingham News
نوتنجهام المملكة المتحدة (SPX) 24 يناير 2024
للمرة الأولى، نجح العلماء في محاصرة ذرات الكريبتون (Kr)، وهو غاز نبيل، داخل أنبوب الكربون النانوي لتكوين غاز أحادي البعد.
استخدم علماء من كلية الكيمياء بجامعة نوتنجهام طرقًا متقدمة للمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لالتقاط اللحظة التي تتجمع فيها ذرات Kr معًا، واحدة تلو الأخرى، داخل حاوية "أنبوب اختبار النانو" التي يبلغ قطرها نصف مليون مرة أصغر من العرض. من شعرة الإنسان. وقد نشر البحث في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
لقد قام العلماء بدراسة سلوك الذرات منذ أن افترضوا أنها الوحدات الأساسية للكون. لحركة الذرات تأثير كبير على الظواهر الأساسية مثل درجة الحرارة والضغط وتدفق السوائل والتفاعلات الكيميائية. يمكن لطرق التحليل الطيفي التقليدية تحليل حركة مجموعات كبيرة من الذرات ومن ثم استخدام البيانات المتوسطة لشرح الظواهر على المستوى الذري. ومع ذلك، فإن هذه الأساليب لا تظهر ما تفعله الذرات الفردية في وقت محدد.
التحدي الذي يواجه الباحثين عند تصوير الذرات هو أنها صغيرة جدًا، ويتراوح حجمها بين 0.1 و0.4 نانومتر، ويمكنها التحرك بسرعات عالية جدًا تبلغ حوالي 400 م/ث في الطور الغازي، على مقياس سرعة الصوت. وهذا يجعل التصوير المباشر للذرات أثناء عملها أمرًا صعبًا للغاية، ويظل إنشاء تمثيلات مرئية مستمرة للذرات في الوقت الفعلي أحد أهم التحديات العلمية.
وقال البروفيسور أندريه كلوبيستوف، كلية الكيمياء بجامعة نوتنغهام: "تمكننا أنابيب الكربون النانوية من احتجاز الذرات ووضعها بدقة ودراستها على مستوى الذرة الواحدة في الوقت الفعلي. على سبيل المثال، نجحنا في احتجاز ذرات الكريبتون (Kr) للغاز النبيل في هذه الدراسة. نظرًا لأن Kr يحتوي على عدد ذري مرتفع، فمن الأسهل ملاحظته في TEM مقارنة بالعناصر الأخف. وهذا سمح لنا بتتبع مواقع ذرات Kr كنقاط متحركة.
وأضاف البروفيسور أوتي كايزر، الرئيس السابق لمجموعة المجهر الإلكتروني لعلوم المواد، والأستاذ الأول في جامعة أولم: "لقد استخدمنا SALVE TEM المتطور الخاص بنا، والذي يصحح الانحرافات اللونية والكروية، لمراقبة العملية اتحاد ذرات الكريبتون معًا لتكوين أزواج Kr2. يتم ربط هذه الأزواج معًا بواسطة تفاعل فان دير فالس، وهي قوة غامضة تحكم عالم الجزيئات والذرات. وهذا ابتكار مثير، لأنه يسمح لنا برؤية مسافة فان دير فالس بين ذرتين في الفضاء الحقيقي. إنه تطور مهم في مجال الكيمياء والفيزياء ويمكن أن يساعدنا على فهم طريقة عمل الذرات والجزيئات بشكل أفضل.
استخدم الباحثون فوليرين بكمينستر، وهي جزيئات على شكل كرة قدم تتكون من 60 ذرة كربون، لنقل ذرات Kr الفردية إلى أنابيب اختبار النانو. ساعد اندماج جزيئات بوكمينسترفوليرين لتكوين أنابيب كربونية نانوية متداخلة في تحسين دقة التجارب. ويقول إيان كارديلو زالو، طالب الدكتوراه في جامعة نوتنغهام، والذي كان مسؤولاً عن تحضير هذه المواد وتحليلها: “يمكن إطلاق ذرات الكريبتون من تجاويف الفوليرين عن طريق دمج أقفاص الكربون. يمكن تحقيق ذلك عن طريق التسخين عند درجة حرارة 1200 درجة مئوية أو التشعيع بشعاع إلكتروني. يمكن دراسة الترابط بين الذرات بين ذرات Kr وسلوكها الديناميكي الشبيه بالغاز في تجربة TEM واحدة.
تمكنت المجموعة من ملاحظة ذرات Kr بشكل مباشر وهي تخرج من أقفاص الفوليرين لتشكل غازًا أحادي البعد. بمجرد تحريرها من جزيئاتها الحاملة، يمكن لذرات Kr أن تتحرك فقط في بعد واحد على طول قناة الأنابيب النانوية بسبب المساحة الضيقة للغاية. لا يمكن للذرات الموجودة في صف ذرات Kr المقيدة أن تمر ببعضها البعض وتضطر إلى التباطؤ، مثل المركبات في الازدحام المروري. التقط الفريق المرحلة الحاسمة عندما تتحول ذرات Kr المعزولة إلى غاز أحادي الأبعاد، مما يتسبب في اختفاء تباين الذرة المفردة في TEM. ومع ذلك، فإن التقنيات التكميلية لمسح التصوير باستخدام TEM (STEM) والتحليل الطيفي لفقد طاقة الإلكترون (EELS) كانت قادرة على تتبع حركة الذرات داخل كل أنبوب نانوي من خلال رسم خرائط توقيعاتها الكيميائية.
وقال البروفيسور كوينتين راماسي، مدير SuperSTEM، وهو مرفق البحوث الوطنية EPSRC: "من خلال تركيز شعاع الإلكترون على قطر أصغر بكثير من الحجم الذري، نحن قادرون على المسح عبر أنبوب اختبار النانو وتسجيل أطياف الذرات الفردية المحصورة داخله". ، حتى لو كانت هذه الذرات تتحرك. وهذا يعطينا خريطة طيفية للغاز أحادي البعد، مما يؤكد أن الذرات غير متمركزة وتملأ كل المساحة المتاحة، كما يفعل الغاز العادي.
وقال البروفيسور بول براون، مدير مركز الأبحاث النانوية والميكروية (nmRC) بجامعة نوتنغهام: "على حد علمنا، هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها تصوير سلاسل ذرات الغاز النبيل بشكل مباشر، مما يؤدي إلى إنشاء غاز أحادي البعد في مادة صلبة. قد تظهر مثل هذه الأنظمة الذرية المترابطة بقوة خصائص توصيل وانتشار غير عادية للحرارة. لقد لعب المجهر الإلكتروني النافذ دورًا حاسمًا في فهم ديناميكيات الذرات في الوقت الفعلي والفضاء المباشر.
يخطط الفريق لاستخدام المجهر الإلكتروني لتصوير التحولات الطورية التي يتم التحكم في درجة حرارتها والتفاعلات الكيميائية في أنظمة أحادية البعد، لفتح أسرار مثل هذه الحالات غير العادية للمادة.
تقرير البحث:التصوير الذري المحدد زمنيًا لثنائيات وسلاسل الكريبتون والانتقال إلى غاز أحادي البعد
روابط ذات صلة
جامعة نوتنجهام
أخبار تكنولوجيا الفضاء - التطبيقات والأبحاث
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.spacedaily.com/reports/Scientists_trap_krypton_atoms_to_form_one_dimensional_gas_999.html
