Atomer og molekyler er de bestanddele af næsten alt det stof, der omgiver os.
Mest intuitivt lærer folk eftertouch udforskning såsom at skubbe, trække eller banke på. Naturligvis er vi vant til makroskopiske objekter, som vi direkte kan røre ved, klemme eller skubbe med kraft. Ligeledes interagerer atomer og molekyler gennem kræfter, men disse kræfter er ekstreme på mange måder. For det første forekommer kræfterne mellem atomer og molekyler på meget små afstande. Faktisk er disse objekter så små, at der blev indført en særlig længdeskala til måling af dem: 1 Ångstrøm (1Å = 0,000,000,000,1 m). For det andet bevæger og vrikker atomer og molekyler ekstremt hurtigt på samme tid. Faktisk er deres bevægelse hurtigere end en picosekund (1 ps = 0,000,000,000,001 s). Derfor kræves et værktøj til direkte kontrol af et molekyle, når det bevæger sig, til at skabe ultrahurtige kræfter i atomskala.
For mere end 30 år siden viste Eigler og Schweitzer detved hjælp af et scanningstunnelmikroskop kan statiske kræfter påføres individuelle atomer. I et sådant mikroskop bruges en meget skarp nål til at detektere atomer og molekyler ved at scanne over dem, som i en pladespiller. Et team af forskere fra Regensburg og Zürich har nu løst problemet med at gøre sådanne kræfter hurtigt nok til direkte at kontrollere molekylet, når det bevæger sig, og derved kontrollere dets reaktioner og overgange. Et team fra Regensburg ledet af Rupert Huber og Jasha Repp har skabt et verdensunikalt ultrafast mikroskop, der kombinerer femtosekund laserpulser, der giver adgang til ultrahurtige tidsskalaer med scanningstunnelmikroskopi, som muliggør visualisering af individuelle molekyler.
Da lyset erelektromagnetisk bølge, kan dens oscillerende bærebølge fungere som en super hurtig kraft. Endnu hurtigere end en svingningscyklus i lysfeltet. Når de påførte ultrahurtige lysbølger på atomspidsen af mikroskopet, kunne de faktisk udøve denne effekt lokalt på individuelle dele af molekylet. ”Så vi kan bruge en lysbelyst nål som en ultrahurtig 'hånd' på atomskala til at skubbe de enkelte atomer i et molekyle,” forklarer Dominic Peller, hovedforfatter af den nye undersøgelse.
Ultrahurtig tunnelingstip til scanningmikroskop (øverst til venstre) svæver over en molekylær switch (bund, røde og sorte kugler forbundet). Ultrasnelle atomkræfter (stødbølger) får det valgte atom (røde kugle) i molekylet til at bevæge sig kraftigt for at kontrollere dets reaktivitet på en ultrahurtig tidsskala. Kredit: © Brad Baxley (parttowhole.com) Tilladt at rapportere om denne undersøgelse
Holdet bemærkede, at de ultrahurtige atomkræftervar stærke nok til at vibrere molekylet. Denne bevægelse var så stærk, at den ændrede sandsynligheden for at skifte molekylet til 39%. ”Vi kan kontrollere amplituden og retningen af vibrationer efter ønske og derved modulere sandsynligheden for et molekyls reaktion på femtosekund skala,” understreger videnskabsmanden.
Desuden viste det sig, at kun når "atomiskhånd "anvender superhurtige kræfter på meget specifikke dele af molekylet, det forårsager vibrationsbevægelse. Som forskerne fandt ud af fra en sammenligning med kvantemekaniske beregninger udført af Nikolai Molle i Zürich, skyldes dette, at molekylet klæber sig til overfladen gennem nøgleinatomer. Kun ved at anvende ultrahurtige kræfter på disse bestemte atomer kunne forskere selektivt kontrollere molekylets vibrationer.
Denne udvikling giver endelig mestdirekte kontrol over molekylære reaktioner. Det forventes, at ultrahurtige atomkræfter hjælper med at forstå og manipulere nøgleprocesser inden for kemi og biologi for at inspirere fremtidige teknologier baseret på enkeltmolekylære enheder. Således kan den allestedsnærværende ultrahurtige bevægelse af den grundlæggende bestanddel af stof ikke kun observeres, men også styres og bruges med hidtil uset præcision.
Læs også
Andromedahaloen nærmer sig vores galakse. Vi fortæller dig, hvorfor det er vigtigt
Symptomer på coronavirus hos børn. Hvad du skal være opmærksom på?
Unikt molekyle udviklet til at lagre solenergi