นักฟิสิกส์ได้เรียนรู้ที่จะเคลื่อนย้ายอะตอมโดยใช้เวลาไม่ถึงหนึ่งล้านล้านวินาที

อะตอมและโมเลกุลเป็นส่วนที่เป็นส่วนประกอบของสสารเกือบทั้งหมดที่อยู่รอบตัวเรา

โต้ตอบกันตามกฎเกณฑ์กลศาสตร์ควอนตัม พวกมันสร้างระบบที่ซับซ้อนพร้อมฟังก์ชันที่หลากหลายอย่างไม่มีที่สิ้นสุด เพื่อศึกษาปฏิกิริยาทางเคมี กระบวนการทางชีวภาพในเซลล์ หรือวิธีใหม่ในการเก็บเกี่ยวพลังงานแสงอาทิตย์ นักวิทยาศาสตร์ไม่เพียงแต่ต้องการสำรวจแต่ละโมเลกุลเท่านั้น แต่ยังต้องการควบคุมโมเลกุลเหล่านั้นอีกด้วย

โดยสัญชาตญาณส่วนใหญ่ผู้คนเรียนรู้โดยสัมผัสการสำรวจเช่นการผลักดึงหรือแตะ โดยธรรมชาติแล้วเราคุ้นเคยกับวัตถุขนาดมหึมาที่เราสามารถสัมผัสบีบหรือผลักด้วยแรงได้โดยตรง ในทำนองเดียวกันอะตอมและโมเลกุลมีปฏิสัมพันธ์ผ่านแรง แต่แรงเหล่านี้รุนแรงในหลาย ๆ ด้าน ประการแรกแรงระหว่างอะตอมและโมเลกุลเกิดขึ้นในระยะทางที่สั้นมาก ในความเป็นจริงวัตถุเหล่านี้มีขนาดเล็กมากจนมีการนำสเกลความยาวพิเศษมาใช้ในการวัด: 1 อังสตรอม (1Å = 0,000,000,000.1 ม.) ประการที่สองในเวลาเดียวกันอะตอมและโมเลกุลเคลื่อนที่และกระดิกเร็วมาก ในความเป็นจริงการเคลื่อนที่ของพวกมันเร็วกว่าหนึ่ง picosecond (1 ps = 0,000,000,000,001 s) ดังนั้นในการควบคุมโมเลกุลโดยตรงขณะเคลื่อนที่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือในการสร้างกองกำลังที่รวดเร็วเป็นพิเศษในระดับอะตอม

กว่า 30 ปีที่แล้ว Eigler และ Schweitzer แสดงให้เห็นสิ่งนั้นการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์การสแกนจะสามารถใช้แรงสถิตกับอะตอมแต่ละตัวได้ ในกล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวจะใช้เข็มที่แหลมคมมากในการตรวจจับอะตอมและโมเลกุลโดยการสแกนเหนือพวกมันเช่นในเครื่องเล่นแผ่นเสียง ทีมนักวิทยาศาสตร์จาก Regensburg และ Zurich ได้แก้ปัญหาในการทำให้กองกำลังดังกล่าวเร็วพอที่จะควบคุมโมเลกุลได้โดยตรงในขณะที่มันเคลื่อนที่และด้วยเหตุนี้จึงสามารถควบคุมปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงได้ ทีมงานจาก Regensburg ที่นำโดย Rupert Huber และ Jasha Repp ได้สร้างกล้องจุลทรรศน์ความเร็วสูงพิเศษที่ไม่เหมือนใครของโลกซึ่งรวมเอาเลเซอร์พัลส์ femtosecond เข้าด้วยกันทำให้สามารถเข้าถึงสเกลเวลาที่เร็วมากพร้อมด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบอุโมงค์แบบสแกนซึ่งช่วยให้มองเห็นภาพของโมเลกุลแต่ละตัวได้

เนื่องจากแสงนั้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าคลื่นพาหะที่สั่นสามารถทำหน้าที่เป็นแรงที่เร็วมาก เร็วกว่ารอบการสั่นของสนามแสงหนึ่งรอบด้วยซ้ำ เมื่อพวกเขาใช้คลื่นแสงที่เร็วมากกับปลายอะตอมของกล้องจุลทรรศน์พวกมันสามารถใช้เอฟเฟกต์นี้ได้เฉพาะในส่วนของโมเลกุล “ ดังนั้นเราจึงสามารถใช้เข็มที่ส่องแสงเป็น 'มือ' ที่เร็วเป็นพิเศษในระดับอะตอมเพื่อผลักอะตอมของแต่ละโมเลกุลได้” โดมินิกเพลเลอร์ผู้เขียนนำการศึกษาใหม่อธิบาย

เคล็ดลับการสแกนทันเนลที่รวดเร็วเป็นพิเศษกล้องจุลทรรศน์ (บนซ้าย) วางเมาส์เหนือสวิตช์โมเลกุล (เชื่อมต่อด้านล่างทรงกลมสีแดงและสีดำ) แรงปรมาณูที่เร็วมาก (คลื่นกระแทก) ทำให้อะตอมที่เลือก (ทรงกลมสีแดง) เคลื่อนที่อย่างแรงในโมเลกุลเพื่อควบคุมปฏิกิริยาของมันในช่วงเวลาที่เร็วมาก เครดิต: © Brad Baxley (parttowhole.com) ได้รับอนุญาตให้รายงานเกี่ยวกับการศึกษานี้

ทีมงานสังเกตเห็นว่ากองกำลังปรมาณูที่เร็วเป็นพิเศษมีความแข็งแรงพอที่จะทำให้โมเลกุลสั่นสะเทือน การเคลื่อนไหวนี้รุนแรงมากจนเปลี่ยนความน่าจะเป็นของการเปลี่ยนโมเลกุลเป็น 39% “ เราสามารถเลือกที่จะควบคุมแอมพลิจูดและทิศทางของการสั่นและปรับความน่าจะเป็นของปฏิกิริยาของโมเลกุลในระดับ femtosecond ได้” นักวิทยาศาสตร์กล่าวเน้น

ยิ่งไปกว่านั้นปรากฎว่าเมื่อ“ ปรมาณูมือ "ใช้แรงที่เร็วมากกับส่วนที่เฉพาะเจาะจงของโมเลกุลทำให้เกิดการสั่นสะเทือน ดังที่นักวิทยาศาสตร์ค้นพบจากการเปรียบเทียบกับการคำนวณทางกลเชิงควอนตัมที่ดำเนินการโดย Nikolai Molle ในเมืองซูริคสาเหตุนี้เกิดจากการที่โมเลกุลเกาะติดกับพื้นผิวผ่านอะตอมหลัก นักวิทยาศาสตร์สามารถควบคุมการสั่นสะเทือนของโมเลกุลได้โดยการใช้แรงที่เร็วเป็นพิเศษกับอะตอมเหล่านี้เท่านั้น

การพัฒนานี้ให้ประโยชน์สูงสุดควบคุมปฏิกิริยาของโมเลกุลโดยตรง คาดว่ากองกำลังปรมาณูที่เร็วมากจะช่วยให้เข้าใจและจัดการกระบวนการสำคัญทางเคมีและชีววิทยาเพื่อสร้างแรงบันดาลใจให้กับเทคโนโลยีในอนาคตโดยใช้อุปกรณ์โมเลกุลเดี่ยว ดังนั้นการเคลื่อนไหวที่รวดเร็วมากที่แพร่หลายขององค์ประกอบพื้นฐานของสสารจึงไม่เพียง แต่สามารถสังเกตได้ แต่ยังควบคุมและใช้ด้วยความแม่นยำที่ไม่เคยมีมาก่อน

อ่านยัง

รัศมีแอนโดรเมดากำลังเข้าใกล้ดาราจักรของเรา เราบอกคุณว่าเหตุใดจึงสำคัญ

อาการของ coronavirus ในเด็ก สิ่งที่คุณควรใส่ใจกับ

โมเลกุลเฉพาะที่พัฒนาขึ้นเพื่อกักเก็บพลังงานแสงอาทิตย์