Atome und Moleküle sind die Bestandteile fast aller Materie, die uns umgibt.
Am intuitivsten lernen die Leute durchtaktile Erkundung wie Drücken, Ziehen oder Klopfen. Natürlich sind wir an makroskopische Objekte gewöhnt, die wir mit Gewalt direkt berühren, drücken oder drücken können. Ebenso interagieren Atome und Moleküle durch Kräfte, aber diese Kräfte sind in vielerlei Hinsicht extrem. Erstens treten die Kräfte zwischen Atomen und Molekülen in sehr kleinen Abständen auf. Tatsächlich sind diese Objekte so klein, dass eine spezielle Längenskala eingeführt wurde, um sie zu messen: 1 Angström (1 Å = 0,000,000,000,1 m). Zweitens bewegen sich Atome und Moleküle gleichzeitig und wackeln extrem schnell. Tatsächlich ist ihre Bewegung schneller als eine Pikosekunde (1 ps = 0,000,000,000,001 s). Um ein Molekül während seiner Bewegung direkt zu steuern, ist daher ein Werkzeug erforderlich, um ultraschnelle Kräfte auf atomarer Ebene zu erzeugen.
Das haben Eigler und Schweitzer vor mehr als 30 Jahren gezeigtMit einem Rastertunnelmikroskop können statische Kräfte auf einzelne Atome ausgeübt werden. In einem solchen Mikroskop wird eine sehr scharfe Nadel verwendet, um Atome und Moleküle durch Scannen zu erfassen, wie in einem Plattenspieler. Ein Team von Wissenschaftlern aus Regensburg und Zürich hat nun das Problem gelöst, solche Kräfte schnell genug zu machen, um das Molekül während seiner Bewegung direkt zu steuern und damit seine Reaktionen und Übergänge zu steuern. Ein Team aus Regensburg unter der Leitung von Rupert Huber und Jasha Repp hat ein weltweit einzigartiges ultraschnelles Mikroskop entwickelt, das Femtosekundenlaserpulse kombiniert und den Zugang zu ultraschnellen Zeitskalen mit Rastertunnelmikroskopie ermöglicht, mit der einzelne Moleküle sichtbar gemacht werden können.
Da ist das Lichtelektromagnetische Welle, deren oszillierende Trägerwelle als superschnelle Kraft wirken kann. Noch schneller als ein Lichtfeldoszillationszyklus. Wenn sie ultraschnelle Lichtwellen an die Atomspitze des Mikroskops anlegten, konnten sie diesen Effekt tatsächlich lokal auf einzelne Teile des Moleküls ausüben. „Wir können also eine lichtbeleuchtete Nadel als ultraschnelle 'Hand' im atomaren Maßstab verwenden, um die einzelnen Atome eines Moleküls zu drücken“, erklärt Dominic Peller, Hauptautor der neuen Studie.
Ultraschnelle Scan-TunnelspitzeDas Mikroskop (oben links) schwebt über dem molekularen Schalter (untere, rote und schwarze Kugel verbunden). Ultraschnelle Atomkräfte (Stoßwellen) bewirken, dass sich ein ausgewähltes Atom (rote Kugel) im Molekül kräftig bewegt, um seine Reaktivität auf einer ultraschnellen Zeitskala zu steuern. Bildnachweis: © Brad Baxley (parttowhole.com) Erlaubt, über diese Studie zu berichten
Das Team bemerkte, dass die ultraschnellen Atomkräftewaren stark genug, um das Molekül zu vibrieren. Diese Bewegung war so stark, dass sich die Wahrscheinlichkeit, das Molekül zu wechseln, auf 39% änderte. „Wir können optional die Amplitude und Richtung der Schwingungen steuern und dadurch die Wahrscheinlichkeit der Reaktion eines Moleküls im Femtosekundenbereich modulieren“, betont der Wissenschaftler.
Darüber hinaus stellte sich heraus, dass nur wenn „atomarHand "übt ultraschnelle Kräfte auf ganz bestimmte Teile des Moleküls aus, es verursacht Schwingungsbewegungen. Wie die Wissenschaftler aus einem Vergleich mit den quantenmechanischen Berechnungen von Nikolai Molle in Zürich herausfanden, liegt dies daran, dass das Molekül über Schlüsselatome an der Oberfläche haftet. Nur durch Anwendung ultraschneller Kräfte auf diese speziellen Atome konnten Wissenschaftler die Schwingungen des Moleküls selektiv steuern.
Diese Entwicklung bietet schließlich das meistedirekte Kontrolle über molekulare Reaktionen. Es wird erwartet, dass ultraschnelle Atomkräfte helfen, Schlüsselprozesse in Chemie und Biologie zu verstehen und zu manipulieren, um zukünftige Technologien zu inspirieren, die auf einmolekularen Geräten basieren. Somit kann die allgegenwärtige superschnelle Bewegung des elementaren Bestandteils der Materie nicht nur beobachtet, sondern auch mit beispielloser Präzision gesteuert und verwendet werden.
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