Atomi e molecole sono le parti costitutive di quasi tutta la materia che ci circonda.
In modo più intuitivo, le persone imparanoesplorazione tattile, come spingere, tirare o toccare. Naturalmente siamo abituati a oggetti macroscopici che possiamo toccare, stringere o spingere direttamente con forza. Allo stesso modo, gli atomi e le molecole interagiscono attraverso le forze, ma queste forze sono estreme in molti modi. In primo luogo, le forze tra atomi e molecole si verificano a distanze molto piccole. In effetti, questi oggetti sono così piccoli che è stata introdotta una scala di lunghezza speciale per misurarli: 1 Angstrom (1Å = 0,000,000,000,1 m). In secondo luogo, allo stesso tempo, gli atomi e le molecole si muovono e oscillano estremamente rapidamente. In effetti, il loro movimento è più veloce di un picosecondo (1 ps = 0.000.000.000.001 s). Pertanto, per controllare direttamente una molecola mentre si muove è necessario uno strumento per creare forze ultraveloci su scala atomica.
Più di 30 anni fa, Eigler e Schweitzer lo hanno dimostratoutilizzando un microscopio a tunneling, è possibile applicare forze statiche ai singoli atomi. In un tale microscopio, un ago molto affilato viene utilizzato per rilevare atomi e molecole scansionandoli sopra, come in un giradischi. Un team di scienziati di Ratisbona e Zurigo ha ora risolto il problema di rendere tali forze abbastanza veloci da controllare direttamente la molecola mentre si muove, e quindi controllare le sue reazioni e transizioni. Un team di Ratisbona guidato da Rupert Huber e Jasha Repp ha creato un microscopio ultraveloce unico al mondo che combina impulsi laser a femtosecondi, dando accesso a scale temporali ultraveloci, con microscopia a tunnel a scansione, che consente la visualizzazione di singole molecole.
Poiché la luce èonda elettromagnetica, la sua onda portante oscillante può agire come una forza super veloce. Ancora più veloce di un ciclo di oscillazione del campo luminoso. Quando hanno applicato onde di luce ultraveloci alla punta atomica del microscopio, potevano effettivamente esercitare questo effetto localmente, su singole parti della molecola. "Quindi possiamo usare un ago illuminato dalla luce come una" mano "ultraveloce su scala atomica per spingere i singoli atomi in una molecola", spiega Dominic Peller, autore principale del nuovo studio.
Punta di tunneling a scansione ultravelocemicroscopio (in alto a sinistra) si libra su un interruttore molecolare (in basso, sfere rosse e nere collegate). Forze atomiche ultraveloci (onde d'urto) fanno sì che un atomo selezionato (sfera rossa) si muova vigorosamente in una molecola per controllarne la reattività su una scala temporale ultraveloce. Credito: © Brad Baxley (parttowhole.com) Autorizzato a riferire su questo studio
Il team ha notato che le forze atomiche ultravelocierano abbastanza forti da far vibrare la molecola. Questo movimento era così forte che ha cambiato la probabilità di cambiare la molecola al 39%. "Possiamo controllare l'ampiezza e la direzione delle vibrazioni a piacimento e quindi modulare la probabilità di reazione di una molecola su una scala di femtosecondi", sottolinea lo scienziato.
Inoltre, si è scoperto che solo quando "atomicomano "applica forze superveloci a parti molto specifiche della molecola, provoca un movimento vibratorio. Come gli scienziati hanno scoperto da un confronto con i calcoli della meccanica quantistica eseguiti da Nikolai Molle a Zurigo, ciò è dovuto al fatto che la molecola si aggrappa alla superficie attraverso atomi chiave. Solo applicando forze ultraveloci a questi particolari atomi gli scienziati potrebbero controllare selettivamente le vibrazioni della molecola.
Questo sviluppo fornisce finalmente il massimocontrollo diretto sulle reazioni molecolari. Ci si aspetta che le forze atomiche ultraveloci aiutino a comprendere e manipolare i processi chiave in chimica e biologia per ispirare le future tecnologie basate su dispositivi monomolecolari. Pertanto, l'onnipresente movimento superveloce del costituente elementare della materia non solo può essere osservato, ma anche controllato e utilizzato con una precisione senza precedenti.
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