Atomy a molekuly jsou základními částmi téměř veškeré hmoty, která nás obklopuje.
Lidé se nejvíce intuitivně učí podleprůzkum dotykem, jako je tlačení, tahání nebo klepání. Přirozeně jsme zvyklí na makroskopické objekty, kterých se můžeme přímo dotknout, zmáčknout nebo tlačit silou. Podobně atomy a molekuly interagují prostřednictvím sil, ale tyto síly jsou v mnoha ohledech extrémní. Nejprve se síly mezi atomy a molekulami vyskytují na velmi malých vzdálenostech. Ve skutečnosti jsou tyto objekty tak malé, že pro jejich měření byla zavedena speciální stupnice délky: 1 Angstrom (1Å = 0,000 000 000,1 m). Zadruhé, atomy a molekuly se současně pohybují a třou extrémně rychle. Ve skutečnosti je jejich pohyb rychlejší než pikosekunda (1 ps = 0,000 000 000 001 s). Proto je pro přímou kontrolu molekuly při jejím pohybu zapotřebí nástroj pro vytváření ultrarychlých sil v atomovém měřítku.
Před více než 30 lety to ukázali Eigler a Schweitzerpomocí skenovacího tunelového mikroskopu lze na jednotlivé atomy aplikovat statické síly. V takovém mikroskopu se velmi ostrá jehla používá k detekci atomů a molekul jejich skenováním, jako v gramofonu. Tým vědců z Regensburgu a Curychu nyní vyřešil problém výroby takových sil dostatečně rychle, aby přímo ovládal molekulu při jejím pohybu, a tím řídil její reakce a přechody. Tým z Regensburgu, vedený Rupertem Huberem a Jashou Repp, vytvořil světově jedinečný ultrarychlý mikroskop, který kombinuje femtosekundové laserové pulsy a poskytuje přístup k ultrarychlým časovým měřítkům, se skenovací tunelovací mikroskopií, která umožňuje vizualizaci jednotlivých molekul.
Protože světlo jeelektromagnetická vlna, její oscilační nosná vlna může působit jako super rychlá síla. Ještě rychlejší než jeden cyklus oscilace světelného pole. Když aplikovali ultrarychlé světelné vlny na atomovou špičku mikroskopu, mohli tento účinek skutečně uplatnit lokálně, na samostatných částech molekuly. "Můžeme tedy použít jehlu osvětlenou světlem jako ultrarychlou" ruku "atomového měřítka k tlačení jednotlivých atomů molekuly," vysvětluje Dominic Peller, hlavní autor nové studie.
Ultrarychlý tip pro tunelování tunelumikroskop (vlevo nahoře) se vznáší nad molekulárním přepínačem (spodní, červená a černá koule připojena). Ultrarychlé atomové síly (rázové vlny) způsobují, že se vybraný atom (červená koule) energicky pohybuje v molekule, aby kontroloval jeho reaktivitu ve velmi rychlé časové škále. Uznání: © Brad Baxley (parttowhole.com) Povoleno podávat zprávy o této studii
Tým si všiml, že ultrarychlé atomové sílybyly dostatečně silné, aby vibrovaly molekulu. Tento pohyb byl tak silný, že změnil pravděpodobnost přepnutí molekuly na 39%. "Můžeme volitelně řídit amplitudu a směr oscilací a tím modulovat pravděpodobnost reakce molekuly ve femtosekundové stupnici," zdůrazňuje vědec.
Navíc se ukázalo, že pouze když „atomovéruka „aplikuje ultrarychlé síly na velmi specifické části molekuly, způsobuje vibrační pohyb. Jak vědci zjistili ze srovnání s kvantově mechanickými výpočty, které provedl Nikolai Molle v Curychu, je to způsobeno skutečností, že se molekula drží na povrchu prostřednictvím klíčových atomů. Pouze použitím ultrarychlých sil na tyto konkrétní atomy mohli vědci selektivně řídit vibrace molekuly.
Tento vývoj nakonec poskytuje nejvícepřímá kontrola nad molekulárními reakcemi. Očekává se, že ultrarychlé atomové síly pomohou porozumět klíčovým procesům v chemii a biologii a manipulovat s nimi při inspiraci budoucích technologií založených na jednomolekulárních zařízeních. Všudypřítomný superrychlý pohyb elementární složky hmoty lze tedy nejen pozorovat, ale také řídit a používat s bezprecedentní přesností.
Přečtěte si také
Svatozář Andromedy se blíží k naší galaxii. Řekneme vám, proč je to důležité
Příznaky koronaviru u dětí. Na co byste měli dávat pozor?
Unikátní molekula vyvinutá k ukládání sluneční energie