物理学者が一次元の希ガスを作成

ノッティンガム大学の物理学者らは、高度な透過型電子顕微鏡（TEM）法を用いて、カーボンナノチューブ内にクリプトン原子を捕捉して一次元ガスを形成することに成功した。

原子が宇宙の基本単位であるという仮説が立てられて以来、原子の挙動は科学者によって研究されてきました。

原子の動きは、温度、圧力、流体の流れ、化学反応などの基本的な現象に大きな影響を与えます。

従来の分光法では、大規模な原子グループの動きを分析し、平均化されたデータを使用して現象を原子スケールで説明できます。

ただし、これらの方法では、特定の時点で個々の原子が何をしているのかがわかりません。

原子をイメージングする際に物理学者が直面する課題は、原子が 0.1 ～ 0.4 nm と非常に小さく、気相中では音速程度の約 400 m/s という非常に高速で移動できることです。

このため、動作中の原子を直接イメージングすることが非常に困難になっており、原子をリアルタイムで連続的に視覚的に表現することは、依然として最も重要な科学的課題の 1 つです。

ノッティンガム大学のアンドレイ・クロビストフ教授は、「カーボンナノチューブにより、原子を捕捉し、単一原子レベルで原子を正確に位置決めし、研究することが可能になる」と述べた。

「例えば、私たちは研究で希ガスのクリプトン（Kr）原子を捕捉することに成功しました。」

「クリプトンは原子番号が大きいため、軽い元素よりもTEMで観察するのが簡単です。 これにより、クリプトン原子の位置を移動する点として追跡できるようになりました。」

「私たちは、色収差と球面収差を補正する最先端の SALVE TEM を使用して、クリプトン原子が結合してクリプトンペアを形成するプロセスを観察しました」とウルム大学のユーテ カイザー教授は述べています。

「これらのペアは、分子と原子の世界を支配する神秘的な力であるファンデルワールス相互作用によって結合されています。」

「これは、実空間で 2 つの原子間のファンデルワールス距離を確認できるため、エキサイティングなイノベーションです。」

「これは化学と物理学の分野における重要な進歩であり、原子や分子の働きをより深く理解するのに役立ちます。」

研究著者らは、60個の炭素原子からなるフットボール型の分子であるバックミンスターフラーレンを利用して、個々のクリプトン原子をテストナノチューブに輸送した。

バックミンスターフラーレン分子が合体して入れ子状のカーボン ナノチューブが形成されると、実験の精度が向上しました。

「炭素ケージを融合させることによって、クリプトン原子をフラーレンの空洞から放出することができます」と、イアン・カーディロ・ザロ博士は述べた。 ノッティンガム大学の学生。

「これは、摂氏1,200度で加熱するか、電子ビームを照射することで実現できます。」

「クリプトン原子間の原子間結合とその動的ガス状挙動の両方を 1 回の TEM 実験で研究できます。」

研究チームは、クリプトン原子がフラーレンケージから出て一次元ガスを形成する様子を直接観察することができた。

キャリア分子から解放されると、クリプトン原子は、非常に狭い空間のため、ナノチューブチャネルに沿って一次元にのみ移動することができます。

拘束されたクリプトン原子の列にある原子は互いにすれ違うことができず、渋滞中の車両のように速度を落とさざるを得ません。

科学者らは、孤立したクリプトン原子が 1D ガスに移行し、TEM 内で単一原子のコントラストが消失する重要な段階を捉えました。

それにもかかわらず、走査型 TEM (STEM) イメージングと電子エネルギー損失分光法 (EELS) の相補的な技術により、化学的特徴のマッピングを通じて各ナノチューブ内の原子の動きを追跡することができました。

「原子サイズよりもはるかに小さい直径に電子ビームを集束させることで、たとえ原子が動いていても、テストナノチューブ全体を走査し、内部に閉じ込められた個々の原子のスペクトルを記録することができます」とSuperSTEMディレクターのクエンティン・ラマッセ教授は述べています。 、EPSRC国立研究施設。

「これにより、一次元ガスのスペクトル マップが得られ、通常のガスと同様に、原子が非局在化され、利用可能な空間をすべて満たしていることが確認されました。」

ノッティンガム大学のポール・ブラウン教授は、「我々が知る限り、希ガス原子の鎖が直接画像化され、固体材料内での一次元ガスの生成につながったのはこれが初めてだ」と述べた。

「このような強く相関した原子系は、非常に異常な熱伝導特性と拡散特性を示す可能性があります。」

「透過型電子顕微鏡は、リアルタイムかつ直接空間における原子のダイナミクスを理解する上で重要な役割を果たしてきました。」

発見は雑誌に掲載される ACSナノ。

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イアン・カーディロ・ザロ 他。 クリプトン二量体、鎖、一次元気体への転移の原子スケールの時間分解イメージング。 ACSナノ、2024年1月22日にオンラインで公開。 土井: 10.1021/acsnano.3c07853