Ilmuwan Menjebak Atom Krypton dalam Karbon Nanotube Untuk Membentuk Gas Satu Dimensi

Para ilmuwan menjebak atom kripton dalam tabung nano karbon, membentuk gas satu dimensi dan menawarkan wawasan baru mengenai perilaku atom dan kekuatan molekul.

Untuk pertama kalinya, para ilmuwan berhasil menjebak atom kripton (Kr), suatu gas mulia, di dalam tabung nano karbon untuk membentuk gas satu dimensi.

Ilmuwan dari Universitas NottinghamFakultas Kimia menggunakan metode mikroskop elektron transmisi (TEM) tingkat lanjut untuk menangkap momen ketika atom Kr bergabung bersama, satu demi satu, di dalam wadah “tabung reaksi nano” dengan diameter setengah juta kali lebih kecil dari lebar rambut manusia. . Penelitian ini telah dipublikasikan di Jurnal Persatuan Kimia Amerika.

Perilaku atom telah dipelajari oleh para ilmuwan sejak dihipotesiskan bahwa atom adalah unit dasar alam semesta. Pergerakan atom mempunyai dampak yang signifikan terhadap fenomena fundamental seperti suhu, tekanan, aliran fluida, dan reaksi kimia. Metode spektroskopi tradisional dapat menganalisis pergerakan sekelompok besar atom dan kemudian menggunakan data rata-rata untuk menjelaskan fenomena pada skala atom. Namun, metode ini tidak menunjukkan apa yang dilakukan masing-masing atom pada titik waktu tertentu.

Inovasi dalam Pencitraan Atom

Tantangan yang dihadapi para peneliti saat mencitrakan atom adalah ukurannya yang sangat kecil, berkisar antara 0,1 – 0,4 nanometer, dan dapat bergerak dengan kecepatan sangat tinggi, sekitar 400 m/s dalam fase gas, dalam skala kecepatan suara. Hal ini membuat pencitraan atom secara langsung menjadi sangat sulit, dan penciptaan representasi visual atom secara terus menerus secara real-time tetap menjadi salah satu tantangan ilmiah yang paling signifikan.

Profesor Andrei Khlobystov, Sekolah Kimia, Universitas Nottingham, mengatakan: “Nanotube karbon memungkinkan kita menjebak atom dan memposisikan serta mempelajarinya secara akurat pada titik tunggal.atom tingkat secara real-time. Misalnya, kami berhasil menjebak atom gas mulia kripton (Kr) dalam penelitian ini. Karena Kr memiliki nomor atom yang tinggi, maka lebih mudah diamati dalam TEM dibandingkan unsur yang lebih ringan. Hal ini memungkinkan kami melacak posisi atom Kr sebagai titik bergerak.”

Atom tunggal Kr terperangkap dalam sangkar fullerene C60 di dalam tabung nano. Kredit: Universitas Nottingham

Profesor Ute Kaiser, mantan kepala kelompok Mikroskop Elektron Ilmu Material, profesor senior di Universitas Ulm, menambahkan: “Kami menggunakan SALVE TEM canggih kami, yang mengoreksi penyimpangan kromatik dan bola, untuk mengamati proses tersebut. atom kripton yang bergabung membentuk Kr₂ berpasangan. Pasangan-pasangan ini disatukan oleh interaksi van der Waals, yang merupakan kekuatan misterius yang mengatur dunia molekul dan atom. Ini merupakan inovasi yang menarik karena memungkinkan kita melihat jarak van der Waals antara dua atom di ruang nyata. Ini merupakan perkembangan signifikan dalam bidang kimia dan fisika yang dapat membantu kita lebih memahami cara kerja atom dan molekul.”

Para peneliti menggunakan fullerene Buckminster, yang merupakan molekul berbentuk sepak bola yang terdiri dari 60 atom karbon, untuk mengangkut atom Kr individu ke dalam tabung reaksi nano. Penggabungan molekul buckminsterfullerene untuk menciptakan tabung nano karbon bersarang membantu meningkatkan ketepatan percobaan. Ian Cardillo-Zallo, seorang mahasiswa PhD di Universitas Nottingham, yang bertanggung jawab atas persiapan dan analisis bahan-bahan ini, mengatakan: “Atom kripton dapat dilepaskan dari rongga fullerene dengan menggabungkan sangkar karbon. Hal ini dapat dicapai dengan pemanasan pada suhu 1200^DuaC atau menyinari dengan berkas elektron. Ikatan antar atom antara atom Kr dan perilaku dinamisnya yang menyerupai gas dapat dipelajari dalam satu eksperimen TEM.”

Gas Satu Dimensi dan Penelitian Masa Depan

Kelompok ini dapat mengamati secara langsung atom Kr yang keluar dari sangkar fullerene untuk membentuk gas satu dimensi. Setelah terbebas dari molekul pembawanya, atom Kr hanya dapat bergerak dalam satu dimensi sepanjang saluran nanotube karena ruangnya yang sangat sempit. Atom-atom dalam barisan atom Kr yang dibatasi tidak dapat saling berpapasan dan terpaksa melambat, seperti kendaraan dalam kemacetan lalu lintas. Tim menangkap tahap penting ketika atom Kr yang terisolasi bertransisi menjadi gas 1D, menyebabkan kontras atom tunggal menghilang di TEM. Meskipun demikian, teknik pelengkap pemindaian pencitraan TEM (STEM) dan spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) mampu melacak pergerakan atom dalam setiap nanotube melalui pemetaan tanda kimianya.

Profesor Quentin Ramasse, Direktur SuperSTEM, sebuah Fasilitas Penelitian Nasional EPSRC, mengatakan: ‘Dengan memfokuskan berkas elektron ke diameter yang jauh lebih kecil dari ukuran atom, kami dapat memindai seluruh tabung reaksi nano dan merekam spektrum atom individu yang terkurung di dalamnya. , meskipun atom-atom tersebut bergerak. Hal ini memberi kita peta spektral gas satu dimensi, yang memastikan bahwa atom-atom terdelokalisasi dan mengisi semua ruang yang tersedia, seperti yang dilakukan gas normal.’

Profesor Paul Brown, direktur Pusat Penelitian Skala Nano dan Mikro (nmRC), Universitas Nottingham, mengatakan: ‘Sejauh yang kami tahu, ini adalah pertama kalinya rantai atom gas mulia dicitrakan secara langsung, yang mengarah pada penciptaan gas satu dimensi dalam bahan padat. Sistem atom yang berkorelasi kuat tersebut mungkin menunjukkan sifat konduktansi panas dan difusi yang sangat tidak biasa. Mikroskop elektron transmisi telah memainkan peran penting dalam memahami dinamika atom dalam ruang real-time dan langsung.’

Tim berencana menggunakan mikroskop elektron untuk menggambarkan transisi fase yang dikontrol suhu dan reaksi kimia dalam sistem satu dimensi, untuk mengungkap rahasia keadaan materi yang tidak biasa tersebut.

Referensi: “Pencitraan Dimer Krypton, Rantai dan Transisi ke Gas Satu Dimensi dengan Resolusi Waktu Skala Atom” oleh Ian Cardillo-Zallo, Johannes Biskupek, Sally Bloodworth, Elizabeth S. Marsden, Michael W. Fay, Quentin M. Ramasse , Graham A. Rance, Craig T. Stoppiello, William J. Cull, Benjamin L. Weare, Richard J. Whitby, Ute Kaiser, Paul D. Brown dan Andrei N. Khlobystov, 22 Januari 2024, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.3c07853