Korzystając z najnowocześniejszych przyrządów laboratoryjnych, udało się zebrać, a następnie uwięzić pojedyncze atomy kryptonu wewnątrz tzw. nanorurki węglowej. Osiągnięcie to nie byłoby wykonalne, gdyby nie zaawansowane metody transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). To właśnie one pozwalają badaczom badać i poznawać zachowania pojedynczych atomów.
Owszem, wcześniej naukowcy badali zachowania gazów metodami spektroskopowymi. O ile można badać w ten sposób zachowanie gazu, to już nie umożliwia przyglądania się zachowaniom pojedynczych atomów w czasie rzeczywistym. Aby przełamać to ograniczenie, naukowcy z Nottingham postanowili wykorzystać nanorurki węglowe jako swoiste nanoprobówki, w których można uwięzić, a nawet precyzyjnie ustawić obok siebie poszczególne atomy. Tak przygotowane “próbki” stanowią doskonałe laboratorium do badania szczegółowych ruchów poszczególnych atomów.
Czytaj także: Naukowcy są przekonani, że potwierdzili istnienie cząsteczki ciemnej materii
Do badania zespół naukowców pracujących pod kierownictwem profesora Andieja Klobystowa z Uniwersytetu w Nottingham wykorzystał nanorurki węglowe, w których następnie umieścił pojedyncze atomy kryptonu, który jest gazem szlachetnym. Badając tak przygotowaną probówkę, badacze mogli w końcu uważnie przyjrzeć się dynamicznym zachowaniom poszczególnych atomów w czasie rzeczywistym. Dzięki temu, że krypton z natury rzeczy ma wysoką liczbę atomową i stosunkowo łatwo go obserwować, badacze mogli przyglądać się jego ruchom w postaci poruszających się kropek.
Za pomocą techniki SALVE TEM naukowcy byli w stanie obserwować nawet proces łączenia się atomów kryptonu w pary. Atomy tworzące takie pary łączą się za pomocą oddziaływań van der Waalsa i według wielu badaczy stanowią swoisty przełom zarówno w dziedzinie chemii, jak i fizyki. Teraz, dzięki metodom transmisyjnej mikroskopii elektronowej badacze w końcu są w stanie zobaczyć odległości van der Waalsa dzielące dwa atomy tworzące parę.
Czytaj także: Oto najbardziej szczegółowy obraz bakterii, jaki kiedykolwiek uzyskano. Pomoże opracować nowe środki bakteriobójcze?
Osiągnięcie takiego poziomu szczegółowości obserwacji nie byłoby jednak możliwe, gdyby nie specjalistyczne nanorurki, do stworzenia których wykorzystano cząsteczki zwane fulerenami Buckminstera i składające się z 60 atomów węgla każda. Uwięzione w fulerenach pojedyncze atomy kryptonu można następnie uwalniać pojedyncze poprzez topienie klatki węglowej, np. poprzez ogrzewanie do 1200°C lub wystawianie ich na działanie wiązki elektronowej. Kontrolowane uwalnianie pojedynczych atomów gazu szlachetnego z klatek fulerenowych pozwala badaczom na stworzenie jednowymiarowego gazu, który można następnie uważnie obserwować, jak przemieszcza się wzdłuż wnętrza nanorurki.
Autorzy eksperymentu podkreślają, że są to pierwsze w historii obserwacje łańcuchów atomów gazu szlachetnego. Nigdy wcześniej bowiem nie udało się w żaden sposób doprowadzić do powstania jednowymiarowego gazu w ciele stałym. W najbliższym czasie badacze chcą wykorzystać nowo opracowaną technikę do obserwowania i fotografowania reakcji chemicznych zachodzących pod wpływem temperatury w jednowymiarowych gazach. Badania takie powinny poprawić naszą wiedzę o zachowaniach pojedynczych atomów i o możliwościach sterowania nimi.