Los átomos y las moléculas son las partes constituyentes de casi toda la materia que nos rodea.
De manera más intuitiva, la gente aprendeexploración táctil como empujar, tirar o golpear. Naturalmente, estamos acostumbrados a objetos macroscópicos que directamente podemos tocar, apretar o empujar con fuerza. Del mismo modo, los átomos y las moléculas interactúan a través de fuerzas, pero estas fuerzas son extremas en muchos sentidos. Primero, las fuerzas entre átomos y moléculas ocurren a distancias muy pequeñas. De hecho, estos objetos son tan pequeños que se introdujo una escala de longitud especial para medirlos: 1 Angstrom (1Å = 0,000,000,000.1 m). En segundo lugar, al mismo tiempo, los átomos y las moléculas se mueven y se mueven extremadamente rápido. De hecho, su movimiento es más rápido que un picosegundo (1 ps = 0,000,000,000,001 s). Por lo tanto, controlar directamente una molécula a medida que se mueve requiere una herramienta para crear fuerzas ultrarrápidas a escala atómica.
Hace más de 30 años, Eigler y Schweitzer demostraron queutilizando un microscopio de efecto túnel, se pueden aplicar fuerzas estáticas a átomos individuales. En un microscopio de este tipo, se usa una aguja muy afilada para detectar átomos y moléculas escaneando sobre ellos, como en un tocadiscos. Un equipo de científicos de Ratisbona y Zurich ha resuelto el problema de hacer que tales fuerzas sean lo suficientemente rápidas para controlar directamente la molécula mientras se mueve y, por lo tanto, controlar sus reacciones y transiciones. Un equipo de Regensburg dirigido por Rupert Huber y Jasha Repp ha creado un microscopio ultrarrápido único en el mundo que combina pulsos de láser de femtosegundo, dando acceso a escalas de tiempo ultrarrápidas, con microscopía de túnel de barrido, que permite la visualización de moléculas individuales.
Dado que la luz esonda electromagnética, su onda portadora oscilante puede actuar como una fuerza súper rápida. Incluso más rápido que un ciclo de oscilación de campo de luz. Cuando aplicaron ondas de luz ultrarrápidas a la punta atómica del microscopio, de hecho pudieron ejercer este efecto localmente, en partes individuales de la molécula. “Así que podemos usar una aguja iluminada con luz como una 'mano' ultrarrápida a escala atómica para empujar los átomos individuales de una molécula”, explica Dominic Peller, autor principal del nuevo estudio.
Punta de túnel de escaneo ultrarrápidoEl microscopio (arriba a la izquierda) pasa por encima de un interruptor molecular (las esferas inferior, roja y negra están conectadas). Las fuerzas atómicas ultrarrápidas (ondas de choque) hacen que un átomo seleccionado (esfera roja) se mueva vigorosamente en la molécula para controlar su reactividad en una escala de tiempo ultrarrápida. Crédito: © Brad Baxley (parttowhole.com) Autorizado para informar sobre este estudio
El equipo notó que las fuerzas atómicas ultrarrápidaseran lo suficientemente fuertes como para hacer vibrar la molécula. Este movimiento fue tan fuerte que cambió la probabilidad de cambiar la molécula al 39%. “Podemos controlar la amplitud y la dirección de las vibraciones a voluntad y así modular la probabilidad de reacción de una molécula en una escala de femtosegundos”, enfatiza el científico.
Además, resultó que solo cuando "atomicmano "aplica fuerzas ultrarrápidas a partes muy específicas de la molécula, provoca un movimiento vibratorio. Como descubrieron los científicos a partir de una comparación con los cálculos de la mecánica cuántica realizados por Nikolai Molle en Zúrich, esto se debe al hecho de que la molécula se adhiere a la superficie a través de átomos clave. Solo aplicando fuerzas ultrarrápidas a estos átomos particulares los científicos podrían controlar selectivamente las vibraciones de la molécula.
Este desarrollo finalmente proporciona la mayorcontrol directo sobre reacciones moleculares. Se espera que las fuerzas atómicas ultrarrápidas ayuden a comprender y manipular procesos clave en química y biología para inspirar tecnologías futuras basadas en dispositivos monomoleculares. Así, el ubicuo movimiento ultrarrápido del constituyente elemental de la materia no solo puede observarse, sino también controlarse y utilizarse con una precisión sin precedentes.
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