Atomy i cząsteczki są składnikami prawie całej otaczającej nas materii.
Najbardziej intuicyjnie ludzie uczą się przezeksploracja dotykowa, taka jak pchanie, ciągnięcie lub stukanie. Naturalnie jesteśmy przyzwyczajeni do makroskopijnych obiektów, których możemy bezpośrednio dotykać, ściskać lub pchać siłą. Podobnie atomy i cząsteczki oddziałują na siebie poprzez siły, ale siły te są ekstremalne pod wieloma względami. Po pierwsze, siły między atomami i cząsteczkami występują na bardzo małych odległościach. W rzeczywistości obiekty te są tak małe, że do ich pomiaru wprowadzono specjalną skalę długości: 1 Angstrem (1Å = 0,000,000,000,1 m). Po drugie, w tym samym czasie atomy i cząsteczki poruszają się i poruszają niezwykle szybko. W rzeczywistości ich ruch jest szybszy niż pikosekunda (1 ps = 0,000,000,000 001 s). Dlatego bezpośrednie sterowanie poruszającą się cząsteczką wymaga narzędzia do tworzenia ultraszybkich sił w skali atomowej.
Ponad 30 lat temu pokazali to Eigler i Schweitzerza pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego można przyłożyć siły statyczne do pojedynczych atomów. W takim mikroskopie bardzo ostra igła służy do wykrywania atomów i cząsteczek poprzez skanowanie ich, jak w gramofonie. Zespół naukowców z Regensburga i Zurychu rozwiązał teraz problem tworzenia takich sił na tyle szybko, aby bezpośrednio kontrolować poruszającą się cząsteczkę, a tym samym kontrolować jej reakcje i przejścia. Zespół z Regensburga, kierowany przez Ruperta Hubera i Jashę Reppa, stworzył unikatowy w skali światowej ultraszybki mikroskop, który łączy femtosekundowe impulsy laserowe, dając dostęp do ultraszybkich skal czasowych, ze skanującą mikroskopią tunelową, która umożliwia wizualizację poszczególnych cząsteczek.
Ponieważ jest światłofala elektromagnetyczna, jej oscylująca fala nośna może działać jako superszybka siła. Nawet szybciej niż jeden cykl oscylacji pola świetlnego. Kiedy zastosowali ultraszybkie fale świetlne do atomowej końcówki mikroskopu, mogli rzeczywiście wywierać ten efekt lokalnie, na oddzielne części cząsteczki. „Zatem możemy użyć oświetlonej światłem igły jako ultraszybkiej„ ręki ”w skali atomowej, która popycha poszczególne atomy cząsteczki” - wyjaśnia Dominic Peller, główny autor nowych badań.
Bardzo szybka końcówka do tunelowania skanowaniamikroskop (na górze po lewej) unosi się nad przełącznikiem molekularnym (dolne, połączone czerwone i czarne kule). Ultraszybkie siły atomowe (fale uderzeniowe) powodują energiczne poruszanie się wybranego atomu (czerwonej kuli) cząsteczki w celu kontrolowania jego reaktywności w ultraszybkiej skali czasu. Źródło: © Brad Baxley (parttowhole.com). Pozwolono na zgłaszanie tego badania
Zespół zauważył, że ultraszybkie siły atomowebyły wystarczająco mocne, aby wibrować cząsteczkę. Ten ruch był tak silny, że zmienił prawdopodobieństwo przełączenia cząsteczki na 39%. „Opcjonalnie możemy kontrolować amplitudę i kierunek oscylacji, a tym samym modulować prawdopodobieństwo reakcji cząsteczki w skali femtosekundowej” - podkreśla naukowiec.
Co więcej, okazało się, że tylko wtedy, gdy „atomowaręka „przykłada superszybkie siły do bardzo określonych części cząsteczki, powoduje ruch wibracyjny. Jak odkryli naukowcy z porównania z obliczeniami mechaniki kwantowej przeprowadzonymi przez Nikolai Molle w Zurychu, wynika to z faktu, że cząsteczka przylega do powierzchni poprzez kluczowe atomy. Tylko poprzez zastosowanie ultraszybkich sił do tych konkretnych atomów naukowcy mogli selektywnie kontrolować wibracje cząsteczki.
Ten rozwój w końcu dostarcza najwięcejbezpośrednia kontrola nad reakcjami molekularnymi. Oczekuje się, że ultraszybkie siły atomowe pomogą zrozumieć i manipulować kluczowymi procesami w chemii i biologii, aby zainspirować przyszłe technologie oparte na urządzeniach jednocząsteczkowych. W ten sposób wszechobecny superszybki ruch elementarnego składnika materii można nie tylko zaobserwować, ale także kontrolować i wykorzystywać z niespotykaną dotąd precyzją.
Czytaj także
Halo Andromedy zbliża się do naszej galaktyki. Powiemy Ci, dlaczego jest to ważne
Objawy koronawirusa u dzieci. Na co powinieneś zwrócić uwagę?
Unikalna cząsteczka opracowana do przechowywania energii słonecznej