Atomer och molekyler är beståndsdelarna i nästan all materia som omger oss.
Mest intuitivt lär människor sig eftertaktil utforskning, som att trycka, dra eller knacka. Naturligtvis är vi vana vid makroskopiska föremål som vi direkt kan röra vid, pressa eller trycka med kraft. På samma sätt interagerar atomer och molekyler genom krafter, men dessa krafter är extrema på många sätt. För det första uppstår krafterna mellan atomer och molekyler på mycket små avstånd. Faktum är att dessa föremål är så små att en speciell längdskala infördes för att mäta dem: 1 Ångström (1Å = 0,000,000,000,1 m). För det andra, samtidigt rör sig och atomer och molekyler extremt snabbt. I själva verket är deras rörelse snabbare än en pikosekund (1 ps = 0,000,000,000,001 s). För att direkt kontrollera en molekyl när den rör sig krävs därför ett verktyg för att skapa ultrasnabba krafter i atomskala.
För mer än 30 år sedan visade Eigler och Schweitzer detmed hjälp av ett skanningstunnelmikroskop kan statiska krafter appliceras på enskilda atomer. I ett sådant mikroskop används en mycket skarp nål för att detektera atomer och molekyler genom att skanna över dem, som i en skivspelare. Ett team av forskare från Regensburg och Zürich har nu löst problemet med att göra sådana krafter tillräckligt snabbt för att direkt kontrollera molekylen när den rör sig och därmed kontrollera dess reaktioner och övergångar. Ett team från Regensburg under ledning av Rupert Huber och Jasha Repp har skapat ett världsunikt ultrasnabbt mikroskop som kombinerar femtosekundlaserpulser, vilket ger tillgång till ultrasnabba tidsskalor med skanningstunnelmikroskopi, vilket möjliggör visualisering av enskilda molekyler.
Eftersom ljuset ärelektromagnetisk våg, kan dess oscillerande bärvåg fungera som en supersnabb kraft. Ännu snabbare än en svängningscykel för ljusfält. När de applicerade ultrasnabba ljusvågor på atomspetsen i ett mikroskop, kunde de verkligen utöva denna effekt lokalt på separata delar av molekylen. "Så att vi kan använda en ljusbelyst nål som en ultra-snabb" hand "i atomskala för att skjuta de enskilda atomerna i en molekyl," förklarar Dominic Peller, huvudförfattare till den nya studien.
Ultrasnabb skanning av tunneltipsmikroskop (överst till vänster) svävar över en molekylär brytare (nedre, röda och svarta sfärer anslutna). Ultrasnabba atomkrafter (chockvågor) får en vald atom (röd sfär) att röra sig kraftigt i molekylen för att kontrollera dess reaktivitet på en ultrasnabb tidsskala. Upphovsman: © Brad Baxley (parttowhole.com) Tillåtet att rapportera om denna studie
Teamet märkte att de ultrasnabba atomkrafternavar tillräckligt starka för att vibrera molekylen. Denna rörelse var så stark att den ändrade sannolikheten för att byta molekyl till 39%. "Vi kan kontrollera amplituden och riktningen av vibrationer efter eget önskemål och därigenom modulera sannolikheten för en molekyls reaktion i femtosekund skala", betonar forskaren.
Dessutom visade det sig att endast när "atomhand "applicerar supersnabba krafter på mycket specifika delar av molekylen, det orsakar vibrationsrörelse. Som forskarna fick reda på från en jämförelse med kvantmekaniska beräkningar utförda av Nikolai Molle i Zürich beror detta på det faktum att molekylen fäster vid ytan genom nyckelatomer. Endast genom att applicera ultrasnabba krafter på dessa speciella atomer kunde forskare selektivt reglera molekylens vibrationer.
Denna utveckling ger äntligen mestdirekt kontroll över molekylära reaktioner. Ultrasnabba atomkrafter förväntas hjälpa till att förstå och manipulera viktiga processer inom kemi och biologi för att inspirera framtida teknologier baserade på enmolekylära enheter. Således kan den allestädes närvarande supersnabba rörelsen för den elementära beståndsdelen av materia inte bara observeras utan också styras och användas med oöverträffad precision.
Läs också
Andromedahalan närmar sig vår galax. Vi berättar varför det är viktigt
Symtom på coronavirus hos barn. Vad du bör vara uppmärksam på?
Unik molekyl utvecklad för att lagra solenergi