Por primera vez, los científicos han atrapado con éxito átomos de criptón (Kr), un gas noble, dentro de un nanotubo de carbono para formar un gas unidimensional.
Científicos de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham utilizaron métodos avanzados de microscopía electrónica de transmisión (TEM) para capturar el momento en que los átomos de Kr se unieron, uno por uno, dentro de un recipiente de "nanotubo de ensayo" con un diámetro medio millón de veces menor que el ancho. de un cabello humano. La investigación ha sido publicada en ACS Nano .
El comportamiento de los átomos ha sido estudiado por los científicos desde que se planteó la hipótesis de que son las unidades básicas del universo. El movimiento de los átomos tiene un impacto significativo en fenómenos fundamentales como la temperatura, la presión, el flujo de fluidos y las reacciones químicas.
Los métodos tradicionales de espectroscopia pueden analizar el movimiento de grandes grupos de átomos y luego utilizar datos promediados para explicar fenómenos a escala atómica. Sin embargo, estos métodos no muestran qué están haciendo los átomos individuales en un momento específico.
El desafío que enfrentan los investigadores al obtener imágenes de átomos es que son muy pequeños, entre 0,1 y 0,4 nanómetros, y pueden moverse a velocidades muy altas, alrededor de 400 m/s en la fase gaseosa, en la escala de la velocidad del sonido. Esto hace que la obtención de imágenes directas de átomos en acción sea muy difícil, y la creación de representaciones visuales continuas de átomos en tiempo real sigue siendo uno de los desafíos científicos más importantes.
El profesor Andrei Khlobystov, de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham, dijo:"Los nanotubos de carbono nos permiten atrapar átomos y posicionarlos y estudiarlos con precisión a nivel de un solo átomo en tiempo real. Por ejemplo, atrapamos con éxito el gas noble criptón (Kr ) átomos en este estudio Debido a que Kr tiene un número atómico alto, es más fácil de observar en un TEM que los elementos más ligeros. Esto nos permitió rastrear las posiciones de los átomos de Kr como puntos en movimiento".
La profesora Ute Kaiser, ex jefa del grupo de Microscopía Electrónica de Ciencia de Materiales y profesora titular de la Universidad de Ulm, añadió:"Utilizamos nuestro SALVE TEM de última generación, que corrige las aberraciones cromáticas y esféricas, para observar el proceso. de átomos de criptón que se unen para formar Kr2 pares."
"Estos pares se mantienen unidos gracias a la interacción de Van der Waals, que es una fuerza misteriosa que gobierna el mundo de las moléculas y los átomos. Esta es una innovación interesante, ya que nos permite ver la distancia de Van der Waals entre dos átomos en el espacio real. Es un avance significativo en el campo de la química y la física que puede ayudarnos a comprender mejor el funcionamiento de los átomos y las moléculas".
Los investigadores utilizaron fullerenos de Buckminster, que son moléculas con forma de balón de fútbol que constan de 60 átomos de carbono, para transportar átomos de Kr individuales a nanotubos de ensayo. La coalescencia de moléculas de buckminsterfullereno para crear nanotubos de carbono anidados ayudó a mejorar la precisión de los experimentos.
Ian Cardillo-Zallo, Ph.D. Un estudiante de la Universidad de Nottingham, responsable de la preparación y análisis de estos materiales, dijo:"Los átomos de criptón se pueden liberar de las cavidades de fullereno fusionando las jaulas de carbono. Esto se puede lograr calentando a 1.200°C o irradiando con un haz de electrones. El enlace interatómico entre los átomos de Kr y su comportamiento dinámico similar al de un gas se pueden estudiar en un solo experimento TEM."
El grupo ha podido observar directamente los átomos de Kr que salen de las jaulas de fullereno para formar un gas unidimensional. Una vez liberados de sus moléculas portadoras, los átomos de Kr sólo pueden moverse en una dimensión a lo largo del canal de nanotubos debido al espacio extremadamente estrecho. Los átomos de la fila de átomos de Kr restringidos no pueden cruzarse entre sí y se ven obligados a reducir la velocidad, como los vehículos en un atasco de tráfico.
El equipo capturó la etapa crucial en la que los átomos de Kr aislados pasan a un gas 1D, lo que hace que el contraste de un solo átomo desaparezca en el TEM. No obstante, las técnicas complementarias de escaneo de imágenes TEM (STEM) y espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) pudieron rastrear el movimiento de los átomos dentro de cada nanotubo a través del mapeo de sus firmas químicas.
El profesor Quentin Ramasse, director de SuperSTEM, un centro de investigación nacional de EPSRC, dijo:"Al enfocar el haz de electrones en un diámetro mucho más pequeño que el tamaño atómico, podemos escanear el nanotubo de ensayo y registrar espectros de átomos individuales confinados dentro , incluso si estos átomos se están moviendo. Esto nos da un mapa espectral del gas unidimensional, confirmando que los átomos están deslocalizados y llenan todo el espacio disponible, como lo haría un gas normal."
El profesor Paul Brown, director del Centro de Investigación a Nanoescala y Microescala (nmRC) de la Universidad de Nottingham, dijo:"Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se han fotografiado directamente cadenas de átomos de gases nobles, lo que ha llevado a la creación de Un gas unidimensional en un material sólido. Estos sistemas atómicos fuertemente correlacionados pueden exhibir propiedades de difusión y conductancia del calor muy inusuales. La microscopía electrónica de transmisión ha jugado un papel crucial en la comprensión de la dinámica de los átomos en tiempo real y en el espacio directo. P>
El equipo planea utilizar microscopía electrónica para obtener imágenes de transiciones de fase con temperatura controlada y reacciones químicas en sistemas unidimensionales, para descubrir los secretos de estados tan inusuales de la materia.
Más información: Imágenes de resolución temporal a escala atómica de dímeros y cadenas de criptón y la transición a un gas unidimensional, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853
Información de la revista: ACS Nano
Proporcionado por la Universidad de Nottingham
