氪原子首次捕獲并形成一維氣體，有助理解原子和分子行為
發(fā)布時(shí)間：2024年1月25日
來源：科技日?qǐng)?bào)
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英國諾丁漢大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)首次將惰性氣體氪（Kr）的原子一個(gè)一個(gè)地捕獲到碳納米管中，形成一種一維氣體，并用先進(jìn)的透射電子顯微鏡拍攝了Kr原子在“納米試管”（直徑約為人頭發(fā)寬度的50萬分之一）容器中挨個(gè)接連在一起的狀態(tài)。這是化學(xué)和物理領(lǐng)域的一項(xiàng)重大進(jìn)展，有助科學(xué)家更好地理解原子和分子的行為。相關(guān)研究發(fā)表在22日的《美國化學(xué)學(xué)會(huì)》雜志上。
原子是宇宙的基本單位。原子的運(yùn)動(dòng)對(duì)溫度、壓力、流體流動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)等基本現(xiàn)象有重大影響。傳統(tǒng)的光譜學(xué)方法可分析大原子團(tuán)的運(yùn)動(dòng)，然后使用平均數(shù)據(jù)來解釋原子尺度上的現(xiàn)象。然而，這些方法并不能顯示單個(gè)原子在特定時(shí)間點(diǎn)的行為。
原子非常小，從0.1納米到0.4納米不等，而且它們可在氣相中以大約400米/秒的極高速度移動(dòng)，與音速相當(dāng)。這使得對(duì)原子的直接成像變得非常困難，而實(shí)時(shí)創(chuàng)建原子的連續(xù)視頻仍是最重大的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。
碳納米管使科學(xué)家能捕獲原子，并在單原子水平上實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地定位和研究它們。在本實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功地捕獲了惰性氣體Kr的原子。由于Kr具有較高的原子序數(shù)，因此它比較輕的元素更容易觀察到。這使研究人員能夠像移動(dòng)點(diǎn)一樣追蹤Kr原子的位置。
研究人員利用巴克明斯特富勒烯（由60個(gè)碳原子組成的足球狀分子），將單個(gè)Kr原子輸送到納米管中。團(tuán)隊(duì)直接觀察到，離開富勒烯籠的Kr原子形成一維氣體。一旦脫離載體分子，由于空間極其狹窄，Kr原子只能沿著納米管通道在一維空間中移動(dòng)。一排受到約束的Kr原子無法穿越彼此而被迫減速，就像交通擁堵中的車輛一樣。
研究人員稱，這是第一次直接對(duì)惰性氣體原子鏈進(jìn)行成像，從而創(chuàng)造了固體材料中的一維氣體。這種強(qiáng)關(guān)聯(lián)的原子系統(tǒng)可能會(huì)表現(xiàn)出極不尋常的熱導(dǎo)和擴(kuò)散性質(zhì)。
如何觀察一個(gè)微小的、時(shí)刻高速運(yùn)動(dòng)的原子的狀態(tài)？科研人員想出了一種方法：抓住它。科研團(tuán)隊(duì)將氪原子捕獲到碳納米管中，在這個(gè)狹小空間內(nèi)，原子沒有辦法施展它“移形換影”的本事，只能乖乖沿著管道移動(dòng)。于是，原子們都慢了下來，排成一排。“擁堵”在碳納米管中的氪原子形成了一種一維氣體，讓科研人員能夠觀察單個(gè)原子的行動(dòng)。而且，這種固體材料中的一維氣體，或許還具備一些非同尋常的物理特性，能為新材料的研發(fā)提供靈感。