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英国诺丁汉大学科研团队首次将惰性气体氪的原子一个一个地捕获到碳纳米管中，形成一种一维气体，并用先进的透射电子显微镜拍摄了Kr原子在“纳米试管”容器中挨个接连在一起的状态。这是化学和物理领域的一项重大进展，有助科学家更好地理解原子和分子的行为。相关研究发表在22日的《美国化学学会》杂志上。
Kr原子被捕获在碳纳米管内。
视频截图来源：诺丁汉大学
原子是宇宙的基本单位。原子的运动对温度、压力、流体流动和化学反应等基本现象有重大影响。传统的光谱学方法可分析大原子团的运动，然后使用平均数据来解释原子尺度上的现象。然而，这些方法并不能显示单个原子在特定时间点的行为。
原子非常小，从0.1纳米到0.4纳米不等，而且它们可在气相中以大约400米/秒的极高速度移动，与音速相当。这使得对原子的直接成像变得非常困难，而实时创建原子的连续视频仍是最重大的科学挑战之一。
碳纳米管使科学家能捕获原子，并在单原子水平上实时、准确地定位和研究它们。在本实验中，研究人员成功地捕获了惰性气体Kr的原子。由于Kr具有较高的原子序数，因此它比较轻的元素更容易观察到。这使研究人员能够像移动点一样追踪Kr原子的位置。
研究人员利用巴克明斯特富勒烯，将单个Kr原子输送到纳米管中。团队直接观察到，离开富勒烯笼的Kr原子形成一维气体。一旦脱离载体分子，由于空间极其狭窄，Kr原子只能沿着纳米管通道在一维空间中移动。一排受到约束的Kr原子无法穿越彼此而被迫减速，就像交通拥堵中的车辆一样。
研究人员称，这是第一次直接对惰性气体原子链进行成像，从而创造了固体材料中的一维气体。这种强关联的原子系统可能会表现出极不寻常的热导和扩散性质。
如何观察一个微小的、时刻高速运动的原子的状态？科研人员想出了一种方法：抓住它。科研团队将氪原子捕获到碳纳米管中，在这个狭小空间内，原子没有办法施展它“移形换影”的本事，只能乖乖沿着管道移动。于是，原子们都慢了下来，排成一排。“拥堵”在碳纳米管中的氪原子形成了一种一维气体，让科研人员能够观察单个原子的行动。而且，这种固体材料中的一维气体，或许还具备一些非同寻常的物理特性，能为新材料的研发提供灵感。
发布时间：2024-01-23 10:00
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