برای اولین بار، دانشمندان اتم های کریپتون (Kr)، یک گاز نجیب است را در داخل یک نانولوله کربنی به دام انداختند تا یک گاز یک بعدی ایجاد کنند.
محققان دانشکده شیمی دانشگاه ناتینگهام از تکنیک‌های میکروسکوپ الکترونی عبوری پیشرفته (TEM) برای ثبت لحظه‌ای که اتم‌های Kr منفرد درون یک «لوله آزمایش نانو» جمع می‌شوند، استفاده کردند. قطر این ظرف نیم میلیون برابر کوچکتر از موی انسان بود. این مطالعه در ACS Nano منتشر شده است.
دانشمندان مدت‌هاست رفتار اتم‌ها را مورد مطالعه قرار داده‌اند و آنها را واحدهای بنیادی جهان می‌دانند. حرکت اتم ها بر پدیده های مختلفی مانند دما، فشار، جریان سیال و واکنش های شیمیایی تأثیر می گذارد.
روش‌های طیف‌سنجی سنتی، حرکت جمعی گروه‌های بزرگ اتم‌ها را تحلیل می‌کنند و داده‌های متوسط را برای توضیح پدیده‌های مقیاس اتمی ارائه می‌کنند. با این حال، این روش‌ها اعمال تک تک اتم‌ها را در مقاطع زمانی مشخص نشان نمی‌دهند.
چالش در تصویربرداری اتم ها در اندازه کوچک آنها (۰.۱-۰.۴ نانومتر) و سرعت بالا (حدود ۴۰۰ متر بر ثانیه در فاز گاز) نهفته است. مشاهده مستقیم اتم ها در عمل دشوار است و ایجاد بازنمایی های بصری پیوسته در زمان واقعی یک چالش علمی مهم است.
به گفته محققان دانشگاه ناتینگهام: “نانولوله های کربنی به ما امکان می دهند اتم ها را به دام بیندازیم، آنها را با دقت قرار دهیم و آنها را در سطح تک اتمی به صورت بلادرنگ مطالعه کنیم. در این مطالعه، ما با موفقیت کریپتون را به دام انداختیم. اتم های (Kr) و با استفاده از TEM، موقعیت آنها را به صورت نقاط متحرک ردیابی کردیم.”
محققان از پیشرفته ترین میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) برای مشاهده فرآیند تشکیل جفت اتم های کریپتون (Kr2) در داخل نانولوله های کربنی استفاده کردند. این جفت ها توسط نیروهای واندروالس، نیروی مرموز حاکم بر دنیای مولکول ها و اتم ها، کنار هم نگه داشته می شوند.
این مطالعه یک نوآوری هیجان‌انگیز در نظر گرفته می‌شود که دانشمندان را قادر می‌سازد فاصله واندروالس بین دو اتم را در فضای واقعی مشاهده کنند و درک اتم‌ها و مولکول‌ها را در شیمی و فیزیک افزایش دهند.
محققان از فولرن‌های Buckminster، مولکول‌های فوتبالی شکل متشکل از ۶۰ اتم کربن، برای انتقال اتم‌های Kr به داخل لوله‌های آزمایشی نانو استفاده کردند. ادغام این مولکول ها دقت آزمایش را بهبود بخشید.
به گفته دانشمندان: اتم های کریپتون را می توان با همجوشی قفس های کربن از طریق گرما یا تابش پرتو الکترونی از حفره های فولرن آزاد کرد، که امکان مطالعه پیوند بین اتمی و رفتار دینامیکی گاز مانند را در یک واحد فراهم می کند.
این تیم مشاهده کردند که اتم‌های Kr پس از آزاد شدن از قفس‌های فولرن به گازی تک بعدی تبدیل می‌شوند. محصور در کانال‌های نانولوله‌ای، این اتم‌ها تنها می‌توانستند در یک بعد حرکت کنند، شبیه تراکم ترافیک که در آن اتم‌های ردیف مجبور به کاهش سرعت می‌شوند.
محققان از تصویربرداری اسکن TEM (STEM) و طیف‌سنجی از دست دادن انرژی الکترون (EELS) برای نقشه‌برداری از امضاهای شیمیایی استفاده کردند که امکان ردیابی حرکت اتم را در هر نانولوله فراهم می‌کند.
پروفسور کوئنتین راماس از SuperSTEM گفت: “با تمرکز پرتو الکترونی، می‌توانیم لوله آزمایش نانو را اسکن کنیم و طیف اتم‌های منفرد را حتی اگر در حال حرکت باشند، ثبت کنیم. این یک نقشه طیفی از گاز یک بعدی را ارائه می‌کند و تایید می‌کند که اتم‌ها غیرمحلی هستند و تمام فضای موجود را پر می‌کنند، شبیه به یک گاز معمولی.»
پروفسور پل براون، مدیر مرکز تحقیقات نانومقیاس و میکرومقیاس، تاکید کرد: “این اولین باری است که زنجیره ای از اتم های گاز نجیب مستقیماً تصویربرداری می شود و گازی تک بعدی در یک ماده جامد ایجاد می کند. میکروسکوپ الکترونی عبوری در درک دینامیک اتمی بلادرنگ نقش مهمی ایفا می کند.”
این تیم قصد دارد از میکروسکوپ الکترونی برای تصویربرداری از انتقال فازهای کنترل‌شده با دمای و واکنش‌های شیمیایی در سیستم‌های یک‌بعدی استفاده کند تا اسرار این حالت‌های غیرعادی ماده را کشف کند.
