氪原子首次捕獲并形成一維氣體 有助理解原子和分子行為
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英國諾丁漢大學(xué)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(fā)寬度的50萬分之一）容器中挨個接連在一起的狀態(tài)。這是化學(xué)和物理領(lǐng)域的一項重大進展，有助科學(xué)家更好地理解原子和分子的行為。相關(guān)研究發(fā)表在22日的《美國化學(xué)學(xué)會》雜志上。
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(xué)反應(yīng)等基本現(xiàn)象有重大影響。傳統(tǒng)的光譜學(xué)方法可分析大原子團的運動，然后使用平均數(shù)據(jù)來解釋原子尺度上的現(xiàn)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(dāng)。這使得對原子的直接成像變得非常困難，而實時創(chuàng)建原子的連續(xù)視頻仍是最重大的科學(xué)挑戰(zhàn)之一。
碳納米管使科學(xué)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(shù)，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(chuàng)造了固體材料中的一維氣體。這種強關(guān)聯(lián)的原子系統(tǒng)可能會表現(xiàn)出極不尋常的熱導(dǎo)和擴散性質(zhì)。
如何觀察一個微小的、時刻高速運動的原子的狀態(tài)？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(nèi)，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(fā)提供靈感。（記者張佳欣）
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