制造“交通堵塞”輕松觀察氪原子

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氪原子可以被迫在碳納米管內陷入“交通堵塞”，彼此之間無法通過，這使科學家能夠更容易地觀察它們是如何相互作用的。1月22日，相關論文發表于《美國化學會-納米》。

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單個氪原子困在巴克明斯特富勒烯籠中。圖片來源：諾丁漢大學。

英國諾丁漢大學的Andrei Khlobystov和同事花了數年時間，研究厚度僅為1.5納米的碳納米管內部的化學反應，因為狹窄的空間限制了運動，使觀察更容易。他們現在已經開發出一種方法處理稀有氣體——氪的原子，創造出他們所說的“一維氣體”。研究人員希望這種“一維氣體”能夠揭示基本的物理力。

該團隊研究了巴克敏斯特富勒烯分子——由60個碳原子組成的球形籠，單個氪原子被困于其中。這些分子隨后被范德華力吸進碳納米管。一旦裝滿，碳納米管就被加熱到1200攝氏度，打破籠子。碳原子被吸收到納米管中，留下一排氪原子。

Khlobystov說，結果就如同“交通堵塞”，在那里原子可以被輕松地觀察到，而不是像在三維氣體中那樣以高達每秒400米的速度快速移動。研究小組用透射電子顯微鏡對原子進行成像，這使他們能夠準確測量原子之間的距離。

“它們從根本上改變了行為。”Khlobystov說，“在這個系統中，我們可以跟蹤它們的軌跡，研究它們是如何移動的以及如何相互作用的。這是一款研究稀有氣體的好工具，使我們對原子在極端約束下的行為有一些基本的了解。”

其他研究人員已經觀察到氪原子在范德華力的作用下成對形成。這種現象在不受約束的原子中很難觀察到，但卻可能發生在納米管中。Khlobystov表示，進一步的實驗將“充滿驚喜”。

未來的研究將探索溫度如何影響“一維氣體”。雖然在三維空間中降低氣體溫度會使其凝結成液體，然后凝固，但不能保證同樣的規則也適用于一維。

“也許沒有所謂一維液體，而是會直接變成一維固體。這是一次發現之旅。”Khlobystov說。