Атоми та молекули є складовими частинами практично всієї матерії, яка нас оточує.
Найбільш інтуїтивно люди вчаться шляхомосязательного дослідження, такого як штовхання, витягування або постукування. Природно, ми звикли до макроскопічних об'єктів, яких можемо безпосередньо стосуватися, стискати або підштовхувати, докладаючи сили. Точно так же атоми і молекули взаємодіють за допомогою сил, але ці сили є екстремальними у багатьох відношеннях. По-перше, сили, що діють між атомами і молекулами, відбуваються на дуже малих відстанях. Фактично ці об'єкти настільки малі, що для їх вимірювання була введена спеціальна шкала довжини: 1 Ангстрем (1Å = 0,000,000,000,1 м). По-друге, в той же час атоми і молекули рухаються і погойдуються надзвичайно швидко. Фактично їх рух відбувається швидше пікосекунди (1 пс = 0,000,000,000,001 с). Отже, щоб безпосередньо керувати молекулою під час її руху, потрібно інструмент для створення надшвидких сил в атомному масштабі.
Більше 30 років тому Ейглер і Швейцер показали, щоза допомогою скануючого тунельного мікроскопа можна впливати статичними силами на окремі атоми. В такому мікроскопі дуже гостра голка використовується для виявлення атомів і молекул шляхом сканування по ним, як в програвачі. Команда вчених з Регенсбурга і Цюріха тепер вирішила завдання зробити такі сили досить швидкими, щоб безпосередньо керувати молекулою під час її руху, і, тим самим, управляти її реакціями і переходами. Команда з Регенсбурга під керівництвом Руперта Хубера і Яші Репа створила унікальний в світі надшвидкий мікроскоп, який об'єднує Фемтосекундний лазерні імпульси, відкриваючи доступ до надшвидким тимчасовим шкалами, з скануючої тунельної мікроскопії, яка дозволяє візуалізувати окремі молекули.
Оскільки світло являє собоюелектромагнітну хвилю, його коливається несуча хвиля може діяти як надшвидка сила. Навіть швидше, ніж один коливальний цикл світлового поля. Коли вони прикладали надшвидкі світлові хвилі до атомної голці мікроскопа, вони дійсно могли надавати цей вплив локально, на окремі ділянки молекули. «Таким чином, ми можемо використовувати засвічену світлом голку як надшвидку" руку "атомного масштабу, щоб штовхати окремі атоми молекули», - пояснює Домінік Пеллер, провідний автор нового дослідження.
Наконечник надшвидкого скануючого тунельногомікроскопа (угорі ліворуч) зависає над молекулярним перемикачем (внизу, з'єднані червона і чорна сфери). Надшвидкі атомні сили (ударні хвилі) викликають енергійний рух обраного атома (червона сфера) молекули, щоб контролювати його реакційну здатність в надшвидких тимчасових масштабах. Надано: © Бред Бекслі (parttowhole.com) Дозволено для звіту по цьому дослідженню
Команда помітила, що надшвидкі атомні силибули досить сильними, щоб викликати коливання молекули. Цей рух був настільки сильним, що змінило ймовірність перемикання молекули до 39%. «Ми можемо за бажанням контролювати амплітуду і напрямок коливань і тим самим модулювати ймовірність реакції молекули в фемтосекундного масштабі», - підкреслює вчений.
Більш того, виявилося, що тільки коли «атомнарука »прикладає надшвидкі сили до дуже специфічних ділянок молекули, вона викликає коливальний рух. Як з'ясували вчені з порівняння з квантово-механічними розрахунками, виконаними Миколою Моллем в Цюріху, це пов'язано з тим, що молекула чіпляється за поверхню через ключові атоми. Тільки застосовуючи надшвидкі сили до цих конкретних атомам, вчені могли вибірково керувати коливаннями молекули.
Ця розробка, нарешті, забезпечує самийпрямий контроль над молекулярними реакціями. Очікується, що надшвидкі атомні сили допоможуть зрозуміти ключові процеси в хімії та біології і управляти ними, щоб надихнути майбутні технології на основі одномолекулярного пристроїв. Таким чином, всюдисуще надшвидке рух елементарної складової матерії можна не тільки спостерігати, а й контролювати і використовувати з безпрецедентною точністю.
Читати також
Ореол Андромеди наближається до нашої галактики. Розповідаємо, чому це важливо
Симптоми коронавируса у дітей. На що варто звернути увагу?
Розроблена унікальна молекула для зберігання сонячної енергії