Wissenschaftler schaffen weltweit erstes eindimensionales Gas
Wissenschaftler der Universität Nottingham haben erfolgreich einzelne Krypton-Atome gefangen, um das weltweit erste eindimensionale Gas zu schaffen.
Einfangen von Krypton-Atomen
Wissenschaftler der Universität Nottingham haben einen bedeutenden Durchbruch im Bereich der Chemie erzielt. Sie haben erfolgreich einzelne Krypton-Atome gefangen, um das weltweit erste eindimensionale Gas zu schaffen. Die Atome von Krypton (Kr), ein Edelgas, wurden in einem Kohlenstoffnanoröhrchen mithilfe einer fortgeschrittenen Version der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) gefangen. Diese Leistung eröffnet neue Möglichkeiten, das Verhalten von Atomen auf atomarer Ebene zu verstehen.
Professor Paul Brown, Direktor des Nanoscale and Microscale Research Centre (nmRC) an der Universität von Nottingham, erklärte, dass dies das erste Mal ist, dass Ketten von Edelgas-Atomen direkt abgebildet wurden und ein eindimensionales Gas in einem Festkörper entstanden ist. Dieser Durchbruch hat das Potenzial, wertvolle Einblicke in die Eigenschaften von Materie zu liefern.
Überwindung früherer Barrieren
Traditionelle Spektroskopiemethoden konnten nur die Bewegungen größerer Gruppen von Atomen verfolgen, was es schwierig macht, das Verhalten einzelner Atome zu verstehen. Die Größe und Geschwindigkeit von Atomen stellten bedeutende Barrieren für die direkte Bildgebung dar. Einzelne Atome können Größen von 0,1 bis 0,4 Nanometern haben und sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 400 Metern pro Sekunde bewegen. Diese Faktoren machen es schwierig, atomare Bewegungen in Echtzeit zu erfassen.
Um diese Barrieren zu überwinden, nutzte das Nottingham-Team Kohlenstoffnanoröhrchen, die zweidimensionale Strukturen sind und einen Durchmesser haben, der eine halbe Million Mal kleiner ist als ein menschliches Haar. Kohlenstoffnanoröhrchen ermöglichen die genaue Positionierung und Untersuchung von Atomen auf Einzelatom-Ebene in Echtzeit. Indem sie Edelgas-Krypton-Atome in den Kohlenstoffnanoröhrchen fingen, gelang es dem Team, die zuvor unüberwindbare Barriere zu durchbrechen und das eindimensionale Gas direkt abzubilden.
Verwendung von Buckminster-Fullerenen
In ihrer bahnbrechenden Forschung, die im Journal ACS Nano veröffentlicht wurde, erläuterte das Team ihre Methode, einzelne Krypton-Atome in die Kohlenstoffnanoröhrchen zu transportieren. Sie nutzten Buckminster-Fullerene, neuartige Strukturen, die die Atome transportieren können. Die Krypton-Atome wurden entweder auf 1200 °C erhitzt oder mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, um sie von ihren Trägermolekülen zu befreien.
Der enge Raum innerhalb des Nanoröhrchenkanals begrenzt die Bewegung der Krypton-Atome auf eine Dimension. Dadurch können die Atome nicht aneinander vorbeiziehen und werden gezwungen, sich zu verlangsamen. Dies ermöglichte dem Team, die Abbildung mit scanning TEM und die spektrale Energieverlustspektroskopie einzusetzen, um die chemische Signatur jedes einzelnen Atoms im eindimensionalen Gas sichtbar zu machen. Die Kombination dieser Techniken lieferte eine spektrale Karte des Gases und bestätigte, dass die Atome entdifferenziert sind und den gesamten verfügbaren Raum einnehmen.
Entschlüsselung der Geheimnisse ungewöhnlicher Materiezustände
Das Team plant, in Zukunft Elektronenmikroskopie einzusetzen, um temperaturgesteuerte Phasenübergänge und chemische Reaktionen in diesen eindimensionalen Gassystemen direkt abzubilden. Dies könnte wertvolle Erkenntnisse über die ungewöhnlichen Materiezustände liefern, die in diesen Systemen auftreten. Wärmeleitfähigkeit und Diffusionseigenschaften in stark korrelierten atomaren Systemen können beispielsweise hoch ungewöhnliches Verhalten aufweisen.
Die Fähigkeit, den van-der-Waals-Abstand zwischen zwei Atomen im realen Raum zu sehen, ist eine bedeutende Entwicklung auf dem Gebiet der Chemie und Physik. Sie kann Wissenschaftlern helfen, das Verhalten von Atomen und Molekülen besser zu verstehen. Der Erfolg des Teams eröffnet neue Möglichkeiten für weitere Forschungsarbeiten auf dem Gebiet des atomaren Verhaltens und könnte weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis von Materie auf atomarer Ebene haben.
