Atomen en moleculen zijn de samenstellende delen van bijna alle materie die ons omringt.
Het meest intuïtief leren mensen doortactiele verkenning, zoals duwen, trekken of tikken. Uiteraard zijn we gewend aan macroscopische objecten die we direct met kracht kunnen aanraken, knijpen of duwen. Evenzo werken atomen en moleculen door middel van krachten samen, maar deze krachten zijn op veel manieren extreem. Ten eerste treden de krachten tussen atomen en moleculen op zeer kleine afstanden op. In feite zijn deze objecten zo klein dat er een speciale lengteschaal is geïntroduceerd om ze te meten: 1 Angstrom (1Å = 0.000.000.000,1 m). Ten tweede bewegen en bewegen atomen en moleculen tegelijkertijd extreem snel. In feite is hun beweging sneller dan een picoseconde (1 ps = 0.000.000.000.001 s). Om een molecuul direct te besturen terwijl het beweegt, heb je daarom een hulpmiddel nodig om ultrasnelle krachten op atomaire schaal te creëren.
Meer dan 30 jaar geleden lieten Eigler en Schweitzer dat zienMet behulp van een scanning tunneling microscoop kunnen statische krachten op individuele atomen worden uitgeoefend. In zo'n microscoop wordt een zeer scherpe naald gebruikt om atomen en moleculen te detecteren door eroverheen te scannen, zoals in een platenspeler. Een team van wetenschappers uit Regensburg en Zürich heeft nu het probleem opgelost om dergelijke krachten snel genoeg te maken om het molecuul tijdens het bewegen direct te controleren en daardoor zijn reacties en overgangen te beheersen. Een team uit Regensburg onder leiding van Rupert Huber en Jasha Repp heeft een wereld-unieke ultrasnelle microscoop gemaakt die femtoseconde laserpulsen combineert en toegang geeft tot ultrasnelle tijdschalen, met scanning tunneling microscopie, die de visualisatie van individuele moleculen mogelijk maakt.
Omdat het licht iselektromagnetische golf, de oscillerende draaggolf kan als een supersnelle kracht werken. Zelfs sneller dan één oscillatiecyclus van het lichtveld. Wanneer ze ultrasnelle lichtgolven op de atomaire punt van de microscoop aanbrachten, konden ze dit effect inderdaad lokaal uitoefenen, op afzonderlijke delen van het molecuul. "We kunnen dus een door licht verlichte naald gebruiken als een ultrasnelle 'hand' op atomaire schaal om de individuele atomen van een molecuul te duwen", legt Dominic Peller, hoofdauteur van de nieuwe studie, uit.
Ultrasnelle tunneltip voor scannenmicroscoop (linksboven) zweeft over een moleculaire schakelaar (onderste, rode en zwarte bollen verbonden). Ultrasnelle atoomkrachten (schokgolven) zorgen ervoor dat een geselecteerd atoom (rode bol) krachtig in het molecuul beweegt om zijn reactiviteit op een ultrasnelle tijdschaal te regelen. Krediet: © Brad Baxley (parttowhole.com) Toegestaan om over dit onderzoek te rapporteren
Het team merkte dat de ultrasnelle atoomkrachtenwaren sterk genoeg om het molecuul te laten trillen. Deze beweging was zo sterk dat het de kans om het molecuul om te schakelen naar 39% veranderde. "We kunnen de amplitude en richting van trillingen naar believen regelen en daardoor de waarschijnlijkheid van de reactie van een molecuul op femtoseconde schaal moduleren", benadrukt de wetenschapper.
Bovendien bleek dat alleen wanneer 'atomairhand "past supersnelle krachten toe op zeer specifieke delen van het molecuul, het veroorzaakt trillingsbeweging. Zoals de wetenschappers ontdekten door een vergelijking met kwantummechanische berekeningen van Nikolai Molle in Zürich, is dit te wijten aan het feit dat het molecuul zich via sleutelatomen aan het oppervlak vastklampt. Alleen door ultrasnelle krachten op deze specifieke atomen uit te oefenen, konden wetenschappers selectief de trillingen van het molecuul beheersen.
Deze ontwikkeling levert uiteindelijk het meeste opdirecte controle over moleculaire reacties. Er wordt verwacht dat ultrasnelle atoomkrachten zullen helpen bij het begrijpen en manipuleren van sleutelprocessen in de chemie en biologie om toekomstige technologieën te inspireren op basis van enkelmoleculaire apparaten. Zo kan de alomtegenwoordige supersnelle beweging van het elementaire bestanddeel van materie niet alleen worden waargenomen, maar ook worden gecontroleerd en gebruikt met een ongekende precisie.
Lees ook
De Andromeda-halo nadert onze melkweg. We vertellen je waarom het belangrijk is
Symptomen van coronavirus bij kinderen. Waar moet je op letten?
Uniek molecuul ontwikkeld om zonne-energie op te slaan