원자와 분자는 우리를 둘러싼 거의 모든 물질의 구성 부분입니다.
가장 직관적으로 사람들은밀기, 당기기 또는 두드리기와 같은 터치 탐색. 당연히 우리는 힘으로 직접 만지거나, 쥐거나, 밀 수있는 거시적 인 물체에 익숙합니다. 마찬가지로 원자와 분자는 힘을 통해 상호 작용하지만 이러한 힘은 여러면에서 극단적입니다. 첫째, 원자와 분자 사이의 힘은 아주 작은 거리에서 발생합니다. 사실, 이러한 물체는 너무 작아서 측정을 위해 특별한 길이 척도가 도입되었습니다 : 1 옹스트롬 (1Å = 0,000,000,000.1 m). 둘째, 동시에 원자와 분자는 매우 빠르게 움직이고 흔들립니다. 사실, 그들의 움직임은 피코 초보다 빠릅니다 (1ps = 0,000,000,000,001 초). 따라서 분자가 움직일 때 직접 제어하려면 원자 규모에서 초고속 힘을 생성하는 도구가 필요합니다.
30여 년 전에 아이 글러와 슈바이처는주사 터널링 현미경을 사용하여 정적 힘을 개별 원자에 적용 할 수 있습니다. 이러한 현미경에서는 레코드 플레이어에서와 같이 원자와 분자를 스캔하여 원자와 분자를 감지하는 데 매우 날카로운 바늘이 사용됩니다. 레 겐스 부르크와 취리히의 과학자 팀은 분자가 움직일 때 직접적으로 제어 할 수있을만큼 충분히 빠르게 그러한 힘을 만들어 반응과 전이를 제어하는 문제를 해결했습니다. Rupert Huber와 Jasha Repp이 이끄는 Regensburg의 팀은 펨토초 레이저 펄스를 결합하여 초고속 시간 척도에 액세스 할 수있는 세계 고유의 초고속 현미경을 개발했으며, 이는 개별 분자의 시각화를 가능하게하는 스캐닝 터널링 현미경 검사법입니다.
빛이 있기 때문에전자기파는 진동하는 반송파가 초고속 힘으로 작용할 수 있습니다. 하나의 라이트 필드 진동주기보다 훨씬 빠릅니다. 현미경의 원자 끝 부분에 초고속 광파를 적용했을 때 실제로 분자의 개별 부분에 국부적으로이 효과를 발휘할 수있었습니다. “그래서 우리는 분자의 개별 원자를 밀어 내기 위해 원자 규모의 초고속 '손'으로 빛을 비추는 바늘을 사용할 수 있습니다.
초고속 스캐닝 터널링 팁현미경 (왼쪽 위)은 분자 스위치 (아래쪽, 빨간색 및 검은 색 구체가 연결됨) 위로 이동합니다. 초고속 원자 힘 (충격파)은 분자의 선택된 원자 (빨간색 구체)가 격렬하게 움직여 초고속 시간 척도에서 반응성을 제어합니다. 출처 : © Brad Baxley (parttowhole.com)이 연구에 대한보고가 허용됨
팀은 초고속 원자력이분자를 진동시킬만큼 강했습니다. 이 움직임은 너무 강해서 분자를 39 %로 바꿀 확률이 바뀌 었습니다. "우리는 진동의 진폭과 방향을 선택적으로 제어 할 수 있으므로 펨토초 규모에서 분자의 반응 확률을 조절할 수 있습니다."라고 과학자는 강조합니다.
더욱이“원자력손은 분자의 매우 특정한 부분에 초고속 힘을 가하여 진동 운동을 일으 킵니다. 과학자들은 취리히에있는 Nikolai Molle이 수행 한 양자 역학적 계산과의 비교를 통해 알아 낸 것처럼 분자가 핵심 원자를 통해 표면에 달라 붙기 때문입니다. 이러한 특정 원자에 초고속 힘을 적용해야만 과학자들이 분자의 진동을 선택적으로 제어 할 수 있습니다.
이 개발은 마침내 가장분자 반응을 직접 제어합니다. 초고속 원자 힘은 화학 및 생물학의 핵심 프로세스를 이해하고 조작하여 단일 분자 장치를 기반으로 한 미래 기술에 영감을 줄 것으로 기대됩니다. 따라서 물질의 기본 구성 요소의 유비쿼터스 초고속 이동을 관찰 할 수있을뿐만 아니라 전례없는 정밀도로 제어 및 사용할 수 있습니다.
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