氪原子首次捕獲并形成一維氣體
英國諾丁漢大學科研團隊首次將惰性氣體氪（Kr）的原子一個一個地捕獲到碳納米管中，形成一種一維氣體，并用先進的透射電子顯微鏡拍攝了Kr原子在“納米試管”（直徑約為人頭發寬度的50萬分之一）容器中挨個接連在一起的狀態。這是化學和物理領域的一項重大進展，有助科學家更好地理解原子和分子的行為。相關研究發表在22日的《美國化學學會》雜志上。
Kr原子被捕獲在碳納米管內
視頻截圖來源：諾丁漢大學
原子是宇宙的基本單位。原子的運動對溫度、壓力、流體流動和化學反應等基本現象有重大影響。傳統的光譜學方法可分析大原子團的運動，然后使用平均數據來解釋原子尺度上的現象。然而，這些方法并不能顯示單個原子在特定時間點的行為。
原子非常小，從0.1納米到0.4納米不等，而且它們可在氣相中以大約400米/秒的極高速度移動，與音速相當。這使得對原子的直接成像變得非常困難，而實時創建原子的連續視頻仍是最重大的科學挑戰之一。
碳納米管使科學家能捕獲原子，并在單原子水平上實時、準確地定位和研究它們。在本實驗中，研究人員成功地捕獲了惰性氣體Kr的原子。由于Kr具有較高的原子序數，因此它比較輕的元素更容易觀察到。這使研究人員能夠像移動點一樣追蹤Kr原子的位置。
研究人員利用巴克明斯特富勒烯（由60個碳原子組成的足球狀分子），將單個Kr原子輸送到納米管中。團隊直接觀察到，離開富勒烯籠的Kr原子形成一維氣體。一旦脫離載體分子，由于空間極其狹窄，Kr原子只能沿著納米管通道在一維空間中移動。一排受到約束的Kr原子無法穿越彼此而被迫減速，就像交通擁堵中的車輛一樣。
研究人員稱，這是第一次直接對惰性氣體原子鏈進行成像，從而創造了固體材料中的一維氣體。這種強關聯的原子系統可能會表現出極不尋常的熱導和擴散性質。
如何觀察一個微小的、時刻高速運動的原子的狀態？科研人員想出了一種方法：抓住它。科研團隊將氪原子捕獲到碳納米管中，在這個狹小空間內，原子沒有辦法施展它“移形換影”的本事，只能乖乖沿著管道移動。于是，原子們都慢了下來，排成一排。“擁堵”在碳納米管中的氪原子形成了一種一維氣體，讓科研人員能夠觀察單個原子的行動。而且，這種固體材料中的一維氣體，或許還具備一些非同尋常的物理特性，能為新材料的研發提供靈感。
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