과학자들이 크립톤 원자를 가두어 1차원 가스를 형성합니다

과학자들은 크립톤 원자를 가두어 1차원 가스를 형성합니다.

노팅엄 뉴스의 전속 작가

영국 노팅엄(SPX) 24년 2024월 XNUMX일

과학자들은 처음으로 비활성 기체인 크립톤(Kr) 원자를 탄소 나노튜브 내부에 가두어 1차원 기체를 형성하는 데 성공했습니다.

노팅엄대학교 화학과 과학자들은 첨단 투과전자현미경(TEM) 방법을 사용해 폭보다 50만 배 더 작은 직경을 가진 '나노 시험관' 용기 안에서 Kr 원자가 하나씩 결합하는 순간을 포착했다. 사람의 머리카락. 이번 연구는 미국화학회지(Journal of American Chemical Society)에 게재됐다.

원자가 우주의 기본 단위라는 가설이 세워진 이래로 과학자들은 원자의 거동을 연구해 왔습니다. 원자의 움직임은 온도, 압력, 유체 흐름, 화학 반응과 같은 기본 현상에 큰 영향을 미칩니다. 전통적인 분광학 방법은 큰 원자 그룹의 움직임을 분석한 다음 평균 데이터를 사용하여 원자 규모에서 현상을 설명할 수 있습니다. 그러나 이러한 방법은 개별 원자가 특정 시점에 무엇을 하는지 보여주지 않습니다.

원자를 이미징할 때 연구원들이 직면하는 과제는 원자가 0.1 – 0.4 나노미터 범위로 매우 작고, 기체 상태에서 음속 기준으로 약 400m/s의 매우 빠른 속도로 움직일 수 있다는 것입니다. 이로 인해 작동 중인 원자의 직접적인 이미징이 매우 어려워지고 실시간으로 원자의 연속적인 시각적 표현을 생성하는 것이 가장 중요한 과학적 과제 중 하나로 남아 있습니다.

노팅엄 대학교 화학과 Andrei Khlobystov 교수는 다음과 같이 말했습니다. “탄소 나노튜브를 사용하면 원자를 포착하고 단일 원자 수준에서 실시간으로 정확한 위치를 파악하고 연구할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 이 연구에서 비활성 기체 크립톤(Kr) 원자를 성공적으로 포획했습니다. Kr은 원자 번호가 높기 때문에 가벼운 원소보다 TEM에서 관찰하기가 더 쉽습니다. 이를 통해 Kr 원자의 위치를 움직이는 점으로 추적할 수 있었습니다.”

재료과학 전자현미경 그룹의 전 책임자이자 울름 대학교 선임 교수인 Ute Kaiser 교수는 다음과 같이 덧붙였습니다. “우리는 색수차와 구면 수차를 보정하는 최첨단 SALVE TEM을 사용하여 공정을 관찰했습니다. 크립톤 원자가 서로 결합하여 Kr2 쌍을 형성합니다. 이 쌍은 분자와 원자의 세계를 지배하는 신비한 힘인 반데르발스 상호작용에 의해 서로 결합됩니다. 이는 실제 공간에서 두 원자 사이의 반 데르 발스 거리를 볼 수 있다는 점에서 흥미로운 혁신입니다. 이는 원자와 분자의 작용을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있는 화학 및 물리학 분야의 중요한 발전입니다.”

연구진은 개별 Kr 원자를 나노 시험관으로 운반하기 위해 60개의 탄소 원자로 구성된 축구 모양의 분자인 버크민스터 풀러렌을 활용했습니다. 중첩된 탄소 나노튜브를 생성하기 위한 벅민스터풀러렌 분자의 결합은 실험의 정밀도를 향상시키는 데 도움이 되었습니다. 이 물질의 준비와 분석을 담당한 노팅엄 대학의 박사과정 학생인 Ian Cardillo-Zallo는 다음과 같이 말합니다. “크립톤 원자는 탄소 케이지를 융합함으로써 풀러렌 공동에서 방출될 수 있습니다. 이는 1200oC에서 가열하거나 전자빔을 조사하여 얻을 수 있습니다. Kr 원자 사이의 원자간 결합과 동적 가스와 같은 거동은 모두 단일 TEM 실험으로 연구될 수 있습니다.”

연구팀은 풀러렌 케이지에서 빠져나와 1차원 가스를 형성하는 Kr 원자를 직접 관찰할 수 있었습니다. 일단 캐리어 분자에서 벗어나면 Kr 원자는 매우 좁은 공간으로 인해 나노튜브 채널을 따라 한 차원에서만 이동할 수 있습니다. 제한된 Kr 원자 열에 있는 원자들은 서로 통과할 수 없으며 교통 정체에 있는 차량처럼 속도가 느려지게 됩니다. 연구팀은 분리된 Kr 원자가 XNUMXD 가스로 전환되어 TEM에서 단일 원자 대비가 사라지는 중요한 단계를 포착했습니다. 그럼에도 불구하고, 스캐닝 TEM(STEM) 이미징과 전자 에너지 손실 분광학(EELS)의 보완 기술은 화학적 특징의 매핑을 통해 각 나노튜브 내 원자의 움직임을 추적할 수 있었습니다.

EPSRC 국립 연구 시설인 SuperSTEM 소장인 Quentin Ramasse 교수는 다음과 같이 말했습니다. '전자빔을 원자 크기보다 훨씬 작은 직경에 집중시킴으로써 우리는 나노 시험관을 스캔하고 그 안에 갇힌 개별 원자의 스펙트럼을 기록할 수 있습니다. , 비록 이 원자들이 움직이더라도 말입니다. 이는 우리에게 1차원 가스의 스펙트럼 맵을 제공하여 일반 가스처럼 원자가 비편재화되어 사용 가능한 모든 공간을 채우는 것을 확인합니다.'

노팅엄대학교 나노스케일 및 마이크로스케일 연구센터(nmRC) 소장인 폴 브라운 교수는 “우리가 아는 한 비활성 기체 원자 사슬을 직접 영상화해 다음과 같은 현상을 만든 것은 이번이 처음”이라고 말했다. 고체 물질 속의 1차원 기체. 이렇게 강하게 상관된 원자 시스템은 매우 특이한 열 전도 및 확산 특성을 나타낼 수 있습니다. 투과전자현미경은 실시간 및 직접 공간에서 원자의 역학을 이해하는 데 중요한 역할을 해왔습니다.'

연구팀은 전자현미경을 사용하여 1차원 시스템에서 온도 제어 상전이와 화학 반응을 이미지화하여 이러한 특이한 물질 상태의 비밀을 밝힐 계획입니다.

연구 보고서:크립톤 이량체 및 사슬의 원자 규모 시간 분해 이미징과 1차원 가스로의 전환

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