Pela primeira vez, os cientistas conseguiram prender com sucesso átomos de criptônio (Kr), um gás nobre, dentro de um nanotubo de carbono para formar um gás unidimensional.



Cientistas da Escola de Química da Universidade de Nottingham usaram métodos avançados de microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para capturar o momento em que os átomos de Kr se uniram, um por um, dentro de um recipiente de "nano tubo de ensaio" com diâmetro meio milhão de vezes menor que a largura de um cabelo humano. A pesquisa foi publicada no ACS Nano .

O comportamento dos átomos tem sido estudado por cientistas desde que se levantou a hipótese de que eles são as unidades básicas do universo. O movimento dos átomos tem impacto significativo em fenômenos fundamentais como temperatura, pressão, fluxo de fluidos e reações químicas.

Os métodos tradicionais de espectroscopia podem analisar o movimento de grandes grupos de átomos e então usar dados médios para explicar fenômenos em escala atômica. No entanto, esses métodos não mostram o que os átomos individuais estão fazendo em um momento específico.

O desafio que os investigadores enfrentam ao criar imagens de átomos é que estes são muito pequenos, variando entre 0,1 e 0,4 nanómetros, e podem mover-se a velocidades muito elevadas, de cerca de 400 m/s na fase gasosa, na escala da velocidade do som. Isto torna muito difícil a imagem direta dos átomos em ação, e a criação de representações visuais contínuas de átomos em tempo real continua a ser um dos desafios científicos mais significativos.

O professor Andrei Khlobystov, da Escola de Química da Universidade de Nottingham, disse:"Os nanotubos de carbono nos permitem aprisionar átomos e posicioná-los e estudá-los com precisão no nível de um único átomo em tempo real. Por exemplo, capturamos com sucesso o gás nobre criptônio (Kr ) átomos neste estudo Como o Kr tem um número atômico alto, é mais fácil observá-lo em um TEM do que em elementos mais leves. Isso nos permitiu rastrear as posições dos átomos de Kr como pontos em movimento.

O professor Ute Kaiser, ex-chefe do grupo de Microscopia Eletrônica de Ciência de Materiais, professor sênior da Universidade de Ulm, acrescentou:"Usamos nosso SALVE TEM de última geração, que corrige aberrações cromáticas e esféricas, para observar o processo de átomos de criptônio se unindo para formar Kr₂ pares."

"Esses pares são mantidos juntos pela interação de van der Waals, que é uma força misteriosa que governa o mundo das moléculas e dos átomos. Esta é uma inovação emocionante, pois nos permite ver a distância de van der Waals entre dois átomos no espaço real. É um desenvolvimento significativo no campo da química e da física que pode nos ajudar a compreender melhor o funcionamento dos átomos e das moléculas.”

Os pesquisadores utilizaram fulerenos de Buckminster, que são moléculas em forma de bola de futebol que consistem em 60 átomos de carbono, para transportar átomos de Kr individuais para nano tubos de ensaio. A coalescência de moléculas de buckminsterfulereno para criar nanotubos de carbono aninhados ajudou a melhorar a precisão dos experimentos.

Ian Cardillo-Zallo, Ph.D. estudante da Universidade de Nottingham, responsável pela preparação e análise desses materiais, disse:"Os átomos de criptônio podem ser liberados das cavidades de fulereno pela fusão das gaiolas de carbono. Isso pode ser conseguido aquecendo a 1.200°C ou irradiando com um feixe de elétrons. A ligação interatômica entre os átomos de Kr e seu comportamento dinâmico semelhante ao de um gás podem ser estudados em um único experimento TEM.

O grupo conseguiu observar diretamente os átomos de Kr saindo das gaiolas de fulereno para formar um gás unidimensional. Uma vez libertados das suas moléculas transportadoras, os átomos de Kr só podem mover-se numa dimensão ao longo do canal do nanotubo devido ao espaço extremamente estreito. Os átomos na fileira de átomos de Kr restritos não podem passar uns pelos outros e são forçados a desacelerar, como veículos em congestionamentos de trânsito.

A equipe capturou o estágio crucial quando os átomos de Kr isolados fazem a transição para um gás 1D, fazendo com que o contraste de um único átomo desapareça no TEM. No entanto, as técnicas complementares de varredura de imagens TEM (STEM) e espectroscopia de perda de energia eletrônica (EELS) foram capazes de rastrear o movimento dos átomos dentro de cada nanotubo através do mapeamento de suas assinaturas químicas.

O professor Quentin Ramasse, diretor do SuperSTEM, um centro de pesquisa nacional do EPSRC, disse:"Ao focar o feixe de elétrons em um diâmetro muito menor que o tamanho atômico, somos capazes de escanear o tubo de ensaio nano e registrar espectros de átomos individuais confinados dentro , mesmo que estes átomos estejam em movimento, isto dá-nos um mapa espectral do gás unidimensional, confirmando que os átomos estão deslocalizados e preenchem todo o espaço disponível, como faria um gás normal."

O professor Paul Brown, diretor do Centro de Pesquisa em Nanoescala e Microescala (nmRC), da Universidade de Nottingham, disse:"Tanto quanto sabemos, esta é a primeira vez que cadeias de átomos de gases nobres foram fotografadas diretamente, levando à criação de um gás unidimensional em um material sólido. Esses sistemas atômicos fortemente correlacionados podem exibir propriedades altamente incomuns de condutância de calor e difusão. A microscopia eletrônica de transmissão desempenhou um papel crucial na compreensão da dinâmica dos átomos em tempo real e no espaço direto.

A equipe planeja usar microscopia eletrônica para obter imagens de transições de fase controladas por temperatura e reações químicas em sistemas unidimensionais, para desvendar os segredos de tais estados incomuns da matéria.

Mais informações: Imagens de dímeros e cadeias de criptônio resolvidas no tempo em escala atômica e a transição para um gás unidimensional, ACS Nano (2024). DOI:10.1021/acsnano.3c07853
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pela Universidade de Nottingham