Des scientifiques piègent des atomes de krypton avec des footballènes pour former un gaz à une dimension
Des chimistes de l’université de Nottingham (Royaume-Uni) ont réussi à piéger des atomes de krypton à l’intérieur d’un nanotube de carbone dont le diamètre est à peine 1/500 000e de celui d’un cheveu humain, ce qui constitue l’une des plus étonnantes prouesses de l’ingénierie microscopique. Au cours du processus, les atomes de krypton ont été alignés dans un espace si étroit qu’ils ont effectivement formé un gaz unidimensionnel.
Ce remarquable résultat a été obtenu grâce à l’utilisation ingénieuse de footballènes (buckyballs en anglais), ou buckminsterfullerène, pour piéger et positionner chaque atome. Les footballènes, nommés d’après l’architecte visionnaire Buckminster Fuller, sont des molécules composées de 60 atomes de carbone ayant la forme d’un ballon de football.
Dans cette expérience, les footballènes ont servi de minuscules cages pour les atomes de krypton. Les footballènes ont ensuite été fusionnés à l’intérieur du nanotube, soit en les chauffant à une température de 1 200 °C, soit en les bombardant avec un faisceau d’électrons. Cette fusion a libéré les atomes de krypton en une ligne parfaite, comme des perles sur un fil, créant ainsi ce qui est effectivement un gaz unidimensionnel.
Schéma de la technique utilisée pour piéger les atomes de krypton dans une ligne unidimensionnelle. (Université de Nottingham)
Selon le professeur Paul Brown, directeur du Nanoscale and Microscale Research Centre (nmRC) de l’université de Nottingham :
À notre connaissance, c’est la première fois que des chaînes d’atomes de gaz rares ont été imagées directement, conduisant à la création d’un gaz unidimensionnel dans un matériau solide.
Dans ces espaces confinés, les atomes de krypton ont adopté un comportement particulier. Ils ne pouvaient pas se contourner les uns les autres, un peu comme des voitures dans un embouteillage. En utilisant l’imagerie du microscope électronique en transmission à balayage et la spectroscopie de perte d’énergie des électrons, les scientifiques ont pu balayer le nano-tube à essai et enregistrer les spectres de chaque atomes qui y sont confinés.
En utilisant du krypton, qui a un numéro atomique élevé, les chercheurs ont pu suivre les atomes comme des points mobiles sous leur microscope électronique à transmission. Cela permet d’observer et d’étudier individuellement et en temps réel des atomes à une échelle difficilement imaginable auparavant. Jusqu’à présent, les scientifiques ne pouvaient utiliser que la spectroscopie pour suivre les mouvements des groupes d’atomes.
Des atomes de krypton enfermés dans leurs cages à footballènes dans le nanotube. (Université de Nottingham)
Selon le professeur Ute Kaiser de l’université d’Ulm, en Allemagne, et coauteur de l’étude :
Ces paires sont maintenues ensemble par la force de van der Waals, une mystérieuse interaction qui régit le monde des molécules et des atomes. Il s’agit d’une innovation passionnante, car elle permet de voir la distance de van der Waals entre deux atomes dans l’espace réel. Il s’agit d’une avancée significative dans le domaine de la chimie et de la physique qui peut nous aider à mieux comprendre le fonctionnement des atomes et des molécules.
Oui, techniquement, les atomes de krypton sont toujours tridimensionnels. Chaque atome de krypton est constitué d’un grand nombre d’électrons et d’un noyau contenant 36 protons et autant de neutrons, selon l’isotope. Les protons sont constitués de particules encore plus petites appelées quarks. Mais ne vous laissez pas prendre par ces détails nanotechniques. À toutes fins utiles, les atomes piégés dans les nanotubes de carbone représentent un état unidimensionnel.
Selon le professeur Brown de l’Université de Nottingham et coauteur de l’étude :
De tels systèmes atomiques fortement corrélés peuvent présenter des propriétés de conductivité thermique et de diffusion tout à fait inhabituelles. La microscopie électronique à transmission a joué un rôle crucial dans la compréhension de la dynamique des atomes en temps réel et dans l’espace direct.
L’étude publiée dans la revue ACS Nano : Atomic-Scale Time-Resolved Imaging of Krypton Dimers, Chains and Transition to a One-Dimensional Gas et présentée sur le site de l’Université de Nottingham : Scientists trap krypton atoms to form one-dimensional gas.