Les scientifiques piègent les atomes de krypton dans des nanotubes de carbone, formant un gaz unidimensionnel et fournissant de nouvelles informations sur le comportement atomique et les forces moléculaires.

Pour la première fois, des scientifiques ont réussi à piéger des atomes de krypton (Kr), un gaz rare, à l'intérieur d'un nanotube de carbone pour former un gaz unidimensionnel.

Des scientifiques de Université de NottinghamL'école de chimie de l'UCLA a utilisé des techniques avancées de microscopie électronique à transmission (TEM) pour capturer le moment où les atomes de Kr s'agglutinent, un par un, à l'intérieur d'un récipient en forme de « nano-tube à essai » d'un diamètre un demi-million de fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain. . . La recherche a été publiée dans Journal de l'American Chemical Society.

Les scientifiques étudient le comportement des atomes depuis qu’ils supposent qu’ils constituent les unités de base de l’univers. Le mouvement des atomes a un impact significatif sur des phénomènes fondamentaux tels que la température, la pression, l’écoulement des fluides et les réactions chimiques. Les méthodes de spectroscopie traditionnelles peuvent analyser le mouvement de grands groupes d'atomes, puis utiliser les données moyennées pour expliquer les phénomènes au niveau atomique. Cependant, ces méthodes ne montrent pas ce que font les atomes individuels à un moment précis.

Innovations en imagerie atomique

Le défi auquel les chercheurs sont confrontés lors de l’imagerie des atomes est qu’ils sont très petits, entre 0,1 et 0,4 nanomètres, et qu’ils peuvent se déplacer à des vitesses très élevées d’environ 400 m/s en phase gazeuse, à la vitesse de l’échelle du son. Cela rend très difficile l’imagerie directe des atomes en action, et la création de représentations visuelles continues des atomes en temps réel reste l’un des défis scientifiques les plus importants.

Le professeur Andrei Klopistov, de l’École de chimie de l’Université de Nottingham, a déclaré : « Les nanotubes de carbone nous permettent de piéger les atomes, de les placer avec précision et de les étudier en un seul endroit. »atome Niveau en temps réel. Par exemple, nous avons réussi à piéger les atomes de krypton (Kr) du gaz rare dans cette étude. Le Kr ayant un numéro atomique élevé, il est plus facile à observer en TEM que les éléments plus légers. Cela nous a permis de suivre les positions des atomes de Kr sous forme de points mobiles.

Atomes de Kr uniques piégés dans des cages de fullerène C60 à l'intérieur d'un nanotube. Crédit : Université de Nottingham

Le professeur Ute Kaiser, ancien chef du groupe de microscopie électronique pour la science des matériaux et professeur principal à l'université d'Ulm, a ajouté : « Nous avons utilisé notre SALVE TEM de pointe, qui corrige les aberrations chromatiques et sphériques, pour observer le processus des atomes de krypton. se réunir pour former Kr₂ Paires. Ces paires sont maintenues ensemble par l’interaction de Van der Waals, une force mystérieuse qui régit le monde des molécules et des atomes. Il s’agit d’une innovation passionnante, car elle nous permet de voir la distance de Van der Waals entre deux atomes dans l’espace réel. Il s’agit d’un développement important dans le domaine de la chimie et de la physique et peut nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des atomes et des molécules.

Les chercheurs ont utilisé des fullerènes Buckminster, des molécules en forme de ballon de football composées de 60 atomes de carbone, pour transférer des atomes de Kr individuels dans des nanotubes. La fusion de molécules de buckminsterfullerène pour former des nanotubes de carbone imbriqués a contribué à améliorer la précision des expériences. « Les atomes de krypton peuvent être libérés des cavités fullerènes en incorporant des cages à carbone », explique Ian Cardillo Zalo, doctorant à l'Université de Nottingham, responsable de la préparation et de l'analyse de ces matériaux. Ceci peut être réalisé en chauffant à 1200 degrés^sC ou irradiation avec un faisceau d'électrons. La liaison inter-évaluateurs entre les atomes de Kr et son comportement dynamique semblable à celui d'un gaz peuvent être étudiés dans une seule expérience TEM.

Gaz unidimensionnel et recherche future

Le groupe a pu observer directement les atomes de Kr émergeant des cages de fullerène pour former un gaz unidimensionnel. Une fois libérés de leurs molécules porteuses, les atomes de Kr ne peuvent se déplacer que dans une seule dimension le long du canal des nanotubes en raison de l’espace extrêmement étroit. Les atomes dans une rangée d'atomes de Kr liés ne peuvent pas se croiser et sont obligés de ralentir, comme des véhicules dans un embouteillage. L’équipe a capturé l’étape cruciale où les atomes de Kr isolés se transforment en un gaz unidimensionnel, provoquant la disparition de l’anisotropie d’un seul atome dans le TEM. Cependant, les techniques complémentaires de TEM à balayage (STEM) et de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) ont permis de suivre le mouvement des atomes au sein de chaque nanotube en cartographiant leurs signatures chimiques.

« En focalisant le faisceau d'électrons sur un diamètre beaucoup plus petit que la taille atomique, nous sommes capables de parcourir le nanotube et d'enregistrer les spectres des atomes individuels piégés à l'intérieur », a déclaré le professeur Quentin Ramasi, directeur de SuperSTEM, un centre de recherche national de l'EPSRC. . Même si ces atomes bougent. Cela nous donne une carte spectrale du gaz unidimensionnel, confirmant que les atomes sont délocalisés et remplissent tout l’espace disponible, comme le fait un gaz normal.

Le professeur Paul Brown, directeur du Centre de recherche sur les nano-ondes et les micro-ondes (nmRC) de l'Université de Nottingham, a déclaré : « À notre connaissance, c'est la première fois que des chaînes d'atomes de gaz nobles sont directement visualisées, créant ainsi un gaz unidimensionnel. Ces systèmes atomiques fortement interconnectés ont des propriétés extraordinaires de conduction et de diffusion de la chaleur. La microscopie électronique à transmission a joué un rôle crucial dans la compréhension de la dynamique des atomes en temps réel et dans l'espace direct.

L’équipe prévoit d’utiliser la microscopie électronique pour imager les transitions de phase et les réactions chimiques à température contrôlée dans des systèmes unidimensionnels, afin de percer les secrets de ces états inhabituels de la matière.

Référence : « Imagerie atomique résolue dans le temps des dimères, des chaînes et de la transition vers un gaz unidimensionnel » par Ian Cardillo-Zallo, Johannes Biskupic, Sally Bloodworth et Elizabeth S. Marsden, Michael W. Fay et Quentin M. Ramas. , Graham A. Rance, Craig T. Stubilo, William J. Cole, Benjamin L. Ware, Richard J. Whitby, Uti Kaiser, Paul D. Brown et André N. Khlobestov, le 22 janvier 2024, ACS Nano.
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