科技日报记者 张佳欣
英国诺丁汉大学科研团队首次将惰性气体氪（Kr）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”（直径约为人头发宽度的50万分之一）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（由60个碳原子组成的足球状分子），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。