科学家们将氪原子困在一维气体中
科学家们首次成功地将氪（Kr）原子，一种惰性气体，困在碳纳米管内，形成了一维气体。
来自诺丁汉大学化学学院的科学家利用先进的透射电子显微镜（TEM）方法捕捉了氪原子一个接一个相互连接的时刻，这些氪原子囚禁在一个直径比人类头发宽度小一百万倍的“纳米试管”容器内。这项研究已经发表在《美国化学学会杂志》上。
自从有关原子是宇宙的基本单位的假设提出以来，科学家们已经研究了原子的行为。原子的运动对温度、压力、流体流动和化学反应等基本现象有重要影响。传统的光谱学方法可以分析大量原子的运动，然后使用平均数据来解释原子尺度的现象。然而，这些方法无法展示在特定时间点个体原子的活动。
研究人员在观察原子时面临的挑战是它们非常小，尺寸在0.1至0.4纳米之间，并且在气态中可以以大约400米/秒的速度高速移动，相当于声速。这使得直接观察原子的行为非常困难，实时连续观察原子的创造仍然是最重要的科学挑战之一。
乌尔姆大学高级教授、电子显微镜材料科学研究组的前负责人乌特·凯撒教授补充说：“我们使用了最先进的SALVE TEM，该设备纠正了色散和球面像差，观察了氪原子相互连接成Kr2对的过程。这些对由范德瓦尔斯相互作用维持在一起，范德瓦尔斯相互作用是控制分子和原子世界的神秘力量。这是一项令人兴奋的创新，因为它使我们能够在真实空间中看到两个原子之间的范德瓦尔斯间距。这是化学和物理学领域的重大进展，有助于我们更好地理解原子和分子的运作。”
研究人员利用巴克明斯特富勒烯（巴克球），这是由60个碳原子组成的足球形分子，将单个氪原子输送到纳米试管中。通过将巴克明斯特富勒烯分子汇集成嵌套碳纳米管，有助于提高实验的精确性。负责这些材料的准备和分析的诺丁汉大学博士生伊恩·卡迪洛扎洛表示：“可以通过加热到1200摄氏度或用电子束照射来使氪原子从富勒烯腔体中释放出来。单个氪原子之间的原子间键和它们的动态气态行为可以在单个TEM实验中同时研究。”
研究团队能够直接观察到氪原子从富勒烯腔体中逃逸形成一维气体的过程。一旦从载体分子中释放出来，氪原子只能沿着纳米管道的一个维度移动，因为空间极其狭窄。被限制在一行的氪原子之间无法相互穿过，被迫减速，如拥挤交通中的车辆。团队抓住了孤立氪原子向一维气体过渡的关键阶段，导致TEM中的单原子对比度消失。然而，透射电子显微镜（STEM）成像和电子能损光谱（EELS）等补充技术能够通过映射它们的化学特征跟踪每个纳米管内原子的运动。
SuperSTEM主任昆汀·拉马斯教授表示：“通过将电子束聚焦到远小于原子尺寸的直径上，我们能够扫描整个纳米试管，并记录处于其中的个体原子的光谱，即使这些原子正在移动。这让我们得以获得一维气体的光谱图，证实了这些原子是被离域化的，填满所有可用空间，就像正常气体一样。”
该团队计划利用电子显微镜来观察一维系统中的温度控制相变和化学反应，解锁这些不寻常物态的秘密。
