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Por primera vez, los átomos del gas noble criptón (Kr) han quedado atrapados eficazmente en un nanotubo de carbono para crear un gas unidimensional.
Crédito de la foto: Universidad de Nottingham.
Investigadores de la Facultad de Química de la Universidad de Nottingham utilizaron tecnología de punta para capturar el momento en que los átomos de Kr se combinaron uno por uno en un recipiente de «nano-tubo de ensayo» con un diámetro medio millón de veces más pequeño que el de un cabello humano. Técnicas de microscopía electrónica (TEM). sociedad Química Americana publicó la investigación.
Los científicos han estado estudiando el comportamiento de los átomos desde que surgió la idea de que son los componentes básicos del cosmos. El movimiento de los átomos tiene un impacto significativo en fenómenos fundamentales, incluido el flujo de fluidos, la presión, la temperatura y las reacciones químicas.
Las técnicas espectroscópicas convencionales pueden analizar el movimiento de grandes grupos de átomos y utilizar datos promediados para explicar eventos a nivel atómico. Sin embargo, estas técnicas no pueden representar las acciones de átomos individuales en un momento específico.
Dependiendo de la velocidad del sonido, los átomos en fase gaseosa pueden moverse a velocidades muy altas, de unos 400 m/s, lo que supone un problema para los investigadores a la hora de obtener imágenes. Los átomos tienen un tamaño de 0,1 a 0,4 nanómetros. Esto hace que sea extremadamente difícil obtener imágenes operativas directas de los átomos, y uno de los mayores problemas científicos hasta la fecha es desarrollar representaciones visuales continuas de los átomos en tiempo real.
Los nanotubos de carbono nos permiten capturar átomos y posicionarlos y estudiarlos con precisión a nivel de un solo átomo en tiempo real. Por ejemplo, en este estudio capturamos con éxito átomos de criptón del gas noble (Kr). Debido a que Kr tiene un número atómico alto, es más fácil de observar en TEM que los elementos más ligeros. Esto nos permitió rastrear las posiciones de los átomos de Kr como puntos en movimiento.
Andrei Khlobystov, profesor, Departamento de Química, Universidad de Nottingham
La profesora Ute Kaiser, ex jefa del grupo “Microscopía electrónica de ciencias de materiales” y profesora titular de la Universidad de Ulm, añadió: “Utilizamos nuestro SALVE TEM de última generación, que corrige las aberraciones cromáticas y esféricas, para observar el proceso de conexión de átomos de criptón en Kr.2 parejas. Estos pares se mantienen unidos gracias a la interacción de van der Waals, una fuerza misteriosa que controla el mundo de las moléculas y los átomos. Esta es una innovación interesante porque nos permite ver la distancia de Van der Waals entre dos átomos en el espacio real. Es un avance significativo en el campo de la química y la física que puede ayudarnos a comprender mejor cómo funcionan los átomos y las moléculas.«
Los científicos transfirieron átomos individuales de Kr a nanotubos de ensayo utilizando fullerenos de Buckminster, moléculas con forma de pelota de fútbol que contienen 60 átomos de carbono. La precisión de las pruebas aumentó fusionando las moléculas de buckminsterfullereno en nanotubos de carbono anidados.
Al fusionar las jaulas de carbono, se pueden liberar átomos de criptón de las cavidades de fullereno. Esto se puede lograr calentando a 1200 °C o irradiando con un haz de electrones. El enlace interatómico entre los átomos de Kr y su comportamiento dinámico similar al de un gas se pueden estudiar en un solo experimento TEM.
Ian Cardillo-Zallo, estudiante de doctorado, Universidad de Nottingham
El equipo ha sido testigo de primera mano de cómo los átomos de Kr escapan de las jaulas de los fullerenos y crean un gas unidimensional. Debido a la distancia increíblemente pequeña, los átomos de Kr sólo pueden moverse en una dimensión a través del canal de nanotubos después de ser liberados de sus moléculas portadoras. De manera similar a los vehículos atrapados en un atasco, los átomos de la fila de átomos de Kr restringidos se ven obligados a reducir la velocidad para evitar chocar entre sí.
Los investigadores capturaron el momento crítico en el que los átomos de Kr aislados se transforman en un gas 1D y el contraste de un solo átomo desaparece en el TEM. Sin embargo, los métodos complementarios de espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS) y escaneo de imágenes TEM pudieron rastrear la migración de átomos en cada nanotubo mediante el mapeo de las huellas químicas de cada nanotubo.
Al enfocar el haz de electrones en un diámetro mucho más pequeño que el tamaño del átomo, podemos escanear el nanotubo de ensayo y registrar espectros de átomos individuales atrapados en su interior, incluso cuando esos átomos se mueven. Esto nos da un mapa espectral del gas unidimensional, confirmando que los átomos están deslocalizados y llenan todo el espacio disponible, como lo haría un gas normal.
Quentin Ramasse, Director, SuperSTEM, Centro Nacional de Investigación EPSRC
El profesor Paul Brown, director del Centro de Investigación a Nanoescala y Microescala, añadió: “Hasta donde sabemos, esta es la primera vez que se obtienen imágenes directas de cadenas de átomos de gases nobles, lo que da como resultado la creación de un gas unidimensional en un material sólido. Estos sistemas atómicos altamente correlacionados pueden exhibir propiedades de conducción y difusión de calor extremadamente inusuales. La microscopía electrónica de transmisión ha desempeñado un papel crucial en la comprensión de la dinámica de los átomos en tiempo real y en el espacio directo.«
Para aprender más sobre estos estados especiales de la materia, el equipo quiere utilizar microscopía electrónica para registrar transiciones de fase y procesos químicos con temperatura controlada en sistemas unidimensionales.
Referencia de la revista:
Cardillo-Zallo, I., et. Alabama. (2024) Imágenes a escala atómica resueltas en el tiempo de dímeros, cadenas y la transición de criptón a un gas unidimensional. sociedad Química Americana. doi:10.1021/acsnano.3c07853.
Fuente: https://www.nottingham.ac.uk/
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