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 l'École de chimie de l'Université de Nottingham ont utilisé des méthodes avancées de microscopie électronique à transmission (TEM) pour capturer le moment où les atomes de Kr se sont réunis, un par un, à l'intérieur d'un conteneur de type « nano-tube à essai » dont le diamètre est un demi-million de fois plus petit que la largeur. d'un cheveu humain. La recherche a été publiée dans ACS Nano .
Le comportement des atomes est étudié par les scientifiques depuis qu’on a émis l’hypothèse qu’ils constituaient 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 des données moyennées pour expliquer les phénomènes à l'échelle atomique. Cependant, ces méthodes ne montrent pas ce que font les atomes individuels à un moment précis.
Le défi auquel les chercheurs sont confrontés lors de l’imagerie des atomes est qu’ils sont très petits, allant de 0,1 à 0,4 nanomètres, et qu’ils peuvent se déplacer à des vitesses très élevées d’environ 400 m/s en phase gazeuse, à l’échelle de la vitesse du son. Cela rend l'imagerie directe des atomes en action très difficile, et la création de représentations visuelles continues des atomes en temps réel reste l'un des défis scientifiques les plus importants.
Le professeur Andrei Khlobystov, de l'École de chimie de l'Université de Nottingham, a déclaré :« Les nanotubes de carbone nous permettent de piéger des atomes, de les positionner avec précision et de les étudier en temps réel au niveau d'un seul atome. Par exemple, nous avons réussi à piéger le gaz noble krypton (Kr ) dans cette étude. Parce que Kr a un numéro atomique élevé, il est plus facile à observer dans un MET que les éléments plus légers. Cela nous a permis de suivre les positions des atomes de Kr sous forme de points mobiles. "
Le professeur Ute Kaiser, ancien chef du groupe de microscopie électronique de 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. d'atomes de krypton se réunissant pour former Kr2 paires."
"Ces paires sont maintenues ensemble par l'interaction de Van der Waals, qui est une force mystérieuse régissant 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 qui peut nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des atomes et des molécules."
Les chercheurs ont utilisé des fullerènes de Buckminster, des molécules en forme de ballon de football composées de 60 atomes de carbone, pour transporter des atomes de Kr individuels dans des nanotubes à essai. La coalescence des molécules de buckminsterfullerène pour créer des nanotubes de carbone emboîtés a contribué à améliorer la précision des expériences.
Ian Cardillo-Zallo, titulaire d'un doctorat. Un étudiant de l'Université de Nottingham, responsable de la préparation et de l'analyse de ces matériaux, a déclaré :« Les atomes de krypton peuvent être libérés des cavités fullerènes en fusionnant les cages de carbone. Ceci peut être réalisé en chauffant à 1 200 °C ou en irradiant avec un faisceau d'électrons. La liaison interatomique entre les atomes de Kr et leur comportement dynamique semblable à celui d'un gaz peuvent tous deux être étudiés dans une seule expérience TEM. "
Le groupe a pu observer directement les atomes de Kr sortant 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 de la rangée d'atomes de Kr contraints ne peuvent pas se croiser et sont obligés de ralentir, comme les véhicules dans les embouteillages.
L’équipe a capturé l’étape cruciale lors de la transition des atomes de Kr isolés vers un gaz 1D, provoquant la disparition du contraste d’un seul atome dans le TEM. Néanmoins, les techniques complémentaires d'imagerie TEM à balayage (STEM) et de spectroscopie de perte d'énergie électronique (EELS) ont permis de retracer le mouvement des atomes au sein de chaque nanotube grâce à la cartographie de leurs signatures chimiques.
Le professeur Quentin Ramasse, directeur de SuperSTEM, un centre de recherche national de l'EPSRC, a déclaré :« En focalisant le faisceau d'électrons sur un diamètre beaucoup plus petit que la taille atomique, nous sommes en mesure de parcourir le nanotube à essai et d'enregistrer les spectres d'atomes individuels confinés à l'intérieur. , même si ces atomes se déplacent. Cela nous donne une carte spectrale du gaz unidimensionnel, confirmant que les atomes sont délocalisés et remplissent tout l'espace disponible, comme le ferait un gaz normal."
Le professeur Paul Brown, directeur du Centre de recherche à l'échelle nanométrique et micrométrique (nmRC) de l'Université de Nottingham, a déclaré :« Pour autant que nous le sachions, c'est la première fois que des chaînes d'atomes de gaz nobles sont directement visualisées, conduisant à la création de un gaz unidimensionnel dans un matériau solide. De tels systèmes atomiques fortement corrélés peuvent présenter des propriétés de conductance thermique et de diffusion très inhabituelles. 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. P>
L'équipe prévoit d'utiliser la microscopie électronique pour imager des transitions de phase et des réactions chimiques à température contrôlée dans des systèmes unidimensionnels, afin de percer les secrets de ces états inhabituels de la matière.
Plus d'informations : Imagerie résolue en temps à l'échelle atomique des dimères et des chaînes du krypton et transition vers un gaz unidimensionnel, ACS Nano (2024). DOI :10.1021/acsnano.3c07853
Informations sur le journal : ACS Nano
Fourni par l'Université de Nottingham
