Professor Ute Kaiser, voormalig hoofd van de Electron Microscopy of Materials Science-groep, senior professor aan de Universiteit van Ulm, voegde hieraan toe:"We hebben onze ultramoderne SALVE TEM gebruikt, die chromatische en sferische aberraties corrigeert, om het proces te observeren van krypton-atomen die samenkomen om Kr₂ te vormen paren."

"Deze paren worden bij elkaar gehouden door de van der Waals-interactie, een mysterieuze kracht die de wereld van moleculen en atomen regeert. Dit is een opwindende innovatie, omdat het ons in staat stelt de van der Waals-afstand tussen twee atomen in de echte ruimte te zien. Het is een belangrijke ontwikkeling op het gebied van scheikunde en natuurkunde die ons kan helpen de werking van atomen en moleculen beter te begrijpen."

De onderzoekers gebruikten Buckminster-fullerenen, voetbalvormige moleculen bestaande uit 60 koolstofatomen, om individuele Kr-atomen in nano-reageerbuizen te transporteren. De coalescentie van buckminsterfullereenmoleculen om geneste koolstofnanobuisjes te creëren, hielp de nauwkeurigheid van de experimenten te verbeteren.

Ian Cardillo-Zallo, een Ph.D. student aan de Universiteit van Nottingham, die verantwoordelijk was voor de bereiding en analyse van deze materialen, zei:“Krypton-atomen kunnen vrijkomen uit de fullereenholten door de koolstofkooien te laten samensmelten. Dit kan worden bereikt door te verwarmen tot 1200 ° C of te bestralen met een elektronenbundel. De interatomaire binding tussen Kr-atomen en hun dynamische gasachtige gedrag kunnen beide in één enkel TEM-experiment worden bestudeerd."

De groep heeft Kr-atomen rechtstreeks kunnen observeren die fullereenkooien verlaten en een eendimensionaal gas vormen. Eenmaal bevrijd van hun dragermoleculen kunnen Kr-atomen vanwege de extreem smalle ruimte slechts in één dimensie langs het nanobuiskanaal bewegen. De atomen in de rij van opgesloten Kr-atomen kunnen elkaar niet passeren en worden gedwongen langzamer te rijden, net als voertuigen in verkeersopstoppingen.

Het team heeft de cruciale fase vastgelegd waarin geïsoleerde Kr-atomen overgaan naar een 1D-gas, waardoor het contrast van één atoom in de TEM verdwijnt. Niettemin waren de complementaire technieken van scanning TEM (STEM)-beeldvorming en elektronenenergieverliesspectroscopie (EELS) in staat de beweging van atomen in elke nanobuis te volgen door hun chemische signatuur in kaart te brengen.

Professor Quentin Ramasse, directeur van SuperSTEM, een nationale onderzoeksfaciliteit van de EPSRC, zei:“Door de elektronenbundel te focussen op een diameter die veel kleiner is dan de atomaire grootte, zijn we in staat om door de nano-reageerbuis te scannen en spectra van individuele atomen op te nemen die zich daarin bevinden. , zelfs als deze atomen bewegen. Dit geeft ons een spectrale kaart van het eendimensionale gas, wat bevestigt dat de atomen gedelokaliseerd zijn en alle beschikbare ruimte vullen, zoals een normaal gas zou doen."

Professor Paul Brown, directeur van het Nanoscale and Microscale Research Center (nmRC), Universiteit van Nottingham, zei:"Voor zover we weten is dit de eerste keer dat ketens van edelgasatomen rechtstreeks in beeld zijn gebracht, wat heeft geleid tot de creatie van een eendimensionaal gas in een vast materiaal. Dergelijke sterk gecorreleerde atomaire systemen kunnen zeer ongebruikelijke warmtegeleidings- en diffusie-eigenschappen vertonen. Transmissie-elektronenmicroscopie heeft een cruciale rol gespeeld bij het begrijpen van de dynamiek van atomen in realtime en directe ruimte. P>

Het team is van plan elektronenmicroscopie te gebruiken om temperatuurgecontroleerde faseovergangen en chemische reacties in eendimensionale systemen in beeld te brengen, om zo de geheimen van dergelijke ongebruikelijke toestanden van materie te ontsluiten.

Meer informatie: Tijdopgeloste beeldvorming op atomaire schaal van krypton-dimeren en -ketens en de overgang naar een eendimensionaal gas, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853

Journaalinformatie: ACS Nano

Aangeboden door Universiteit van Nottingham