Einzelmolekülkontrolle für eine Millionstel einer Milliardstel Sekunde

Anonim

Physiker an der Universität von Bath haben entdeckt, wie man einzelne Moleküle für eine Millionstel einer Milliardstel Sekunde manipuliert und steuert, nachdem sie von einigen scheinbar merkwürdigen Ergebnissen fasziniert waren.

Ihre neue Technik ist der empfindlichste Weg, eine chemische Reaktion auf einigen der kleinsten Skalen zu kontrollieren, die Wissenschaftler auf Einzelmolekülebene leisten können. Es eröffnet Forschungsmöglichkeiten in den Bereichen Nanowissenschaft und Nanophysik.

Ein Experiment an der äußersten Grenze der Nanowissenschaften, genannt "STM (Rastertunnelmikroskop) -Molekülmanipulation", wird oft verwendet, um zu beobachten, wie einzelne Moleküle reagieren, wenn sie durch Hinzufügen eines einzelnen Elektrons angeregt werden.

Ein traditioneller Chemiker kann ein Reagenzglas und einen Bunsenbrenner verwenden, um eine Reaktion zu steuern; Hier benutzten sie ein Mikroskop und seinen elektrischen Strom, um die Reaktion zu steuern. Der Strom ist so klein, dass er einer Reihe einzelner Elektronen ähnelt, die auf das Zielmolekül auftreffen. Aber dieses ganze Experiment ist ein passiver Prozess - sobald das Elektron dem Molekül hinzugefügt wird, beobachten die Forscher nur, was passiert.

Aber als Dr. Kristina Rusimova im Urlaub ihre Daten aus dem Labor überprüfte, entdeckte sie einige anomale Ergebnisse in einem Standard-Experiment, das bei weiteren Untersuchungen nicht wegzuklären war. Wenn der elektrische Strom hochgefahren wird, werden die Reaktionen immer schneller, außer hier nicht.

Dr. Rusimova und Kollegen verbrachten Monate damit, über mögliche Erklärungen nachzudenken, um den Effekt zu entlarven und die Experimente zu wiederholen, aber schließlich stellten sie fest, dass sie in neuen, in Science veröffentlichten Forschungen einen Weg gefunden hatten, Einzelmolekül-Experimente in einem beispiellosen Ausmaß zu kontrollieren.

Das Team entdeckte, dass die Dauer der Elektronenanlagerung an das Zielmolekül um mehr als zwei Größenordnungen reduziert werden kann, indem die Spitze ihres Mikroskops nahe an dem untersuchten Molekül gehalten wird, und zwar innerhalb von 600-800 Billionstel eines Meters. und so kann die resultierende Reaktion, die hier einzelne Toluolmoleküle zum Abheben (Desorbieren) von einer Siliciumoberfläche treibt, gesteuert werden.

Das Team geht davon aus, dass die Spitze und das Molekül interagieren, um einen neuen Quantenzustand zu schaffen, der dem Elektron einen neuen Kanal zum Hopfen bietet, wodurch die Zeit, die das Elektron für das Molekül benötigt, reduziert wird Elektron, das eine Reaktion verursacht.

Am empfindlichsten bedeutet dies, dass die Reaktionszeit auf 10 Femtosekunden bis auf 0, 1 Femtosekunden begrenzt werden kann.

Dr. Rusimova sagte: "Das waren Daten aus einem absolut standardmäßigen Experiment, das wir gemacht haben, weil wir dachten, wir hätten alle interessanten Dinge ausgeschöpft - das war nur eine letzte Überprüfung. Aber meine Daten sahen" falsch "aus - alle Grafiken sollten verschwinden und meine ging unter. "

Dr. Peter Sloan, Hauptautor der Studie, fügte hinzu: "Wenn das richtig war, hatten wir einen völlig neuen Effekt, aber wir wussten, wenn wir etwas so auffälliges behaupten wollten, mussten wir etwas tun, um sicherzustellen, dass es real ist und nicht bis hin zu falsch positiven Ergebnissen. "

"Ich denke immer, unser Mikroskop ist ein bisschen wie der Millennium Falcon, nicht zu elegant, zusammengehalten von den Leuten, die ihn führen, aber absolut fantastisch in dem, was er tut. Zwischen Kristina und Doktorandin Rebecca Purkiss die Ebene der räumlichen Kontrolle Sie hatten über das Mikroskop war der Schlüssel zum Entsperren dieser neuen Physik. "

Dr. Sloan fügte hinzu: "Das grundlegende Ziel dieser Arbeit ist es, die Werkzeuge zu entwickeln, die es uns ermöglichen, die Materie an dieser extremen Grenze zu kontrollieren. Seien es chemische Bindungen, die die Natur nicht wirklich brechen will, oder die Herstellung molekularer Architekturen Thermodynamisch verboten: Unsere Arbeit bietet einen neuen Weg, um einzelne Moleküle und deren Reaktion zu steuern.Im Wesentlichen haben wir ein neues Zifferblatt, das wir bei der Ausführung unseres Experiments einstellen können.Die extreme Art der Arbeit an diesen Skalen macht es schwierig, aber wir haben extreme Auflösung und Reproduzierbarkeit mit dieser Technik. "

Das Team hofft, dass seine neue Technik dank der Optionen, die es zum ersten Mal bietet, die Tür für viele neue Experimente und Entdeckungen im Nanobereich öffnet.

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