Enkelt molekyle kontrol i en milliontedel af en milliardtedel af et sekund

Fysikere ved University of Bath har opdaget, hvordan man manipulerer og kontrollerer individuelle molekyler i en milliontedel af en milliardtedel af et sekund, efter at være blevet fascineret af nogle tilsyneladende mærkelige resultater.

Deres nye teknik er den mest følsomme måde at kontrollere en kemisk reaktion på på nogle af de mindste skalaer, videnskabsmænd kan arbejde på - på enkelt molekyleniveau. Det vil åbne op for forskningsmuligheder på tværs af områderne nanovidenskab og nanofysik.

Et eksperiment på nanovidenskabens ekstreme grænse kaldet "STM (scanning tunneling microscope) molecular manipulation" bruges ofte til at observere, hvordan individuelle molekyler reagerer, når de exciteres ved at tilføje en enkelt elektron.

En traditionel kemiker kan bruge et reagensglas og en bunsenbrænder til at drive en reaktion; her brugte de et mikroskop og dets elektriske strøm til at drive reaktionen. Strømmen er så lille, at den er mere beslægtet med serier af individuelle elektroner, der rammer målmolekylet. Men hele dette eksperiment er en passiv proces - når først elektronen er tilføjet til molekylet, observerer forskerne kun, hvad der sker.

Men da Dr. Kristina Rusimova gennemgik sine data fra laboratoriet, mens hun var på ferie, hun opdagede nogle unormale resultater i et standardeksperiment, som ved nærmere undersøgelse ikke kunne bortforklares. Når den elektriske strøm skrues op, reaktioner går altid hurtigere, undtagen her gjorde det det ikke.

Dr. Rusimova og kolleger brugte måneder på at tænke på mulige forklaringer for at afkræfte effekten, og gentage eksperimenterne, men indså til sidst, at de havde fundet en måde at kontrollere enkeltmolekyleeksperimenter i en hidtil uset grad, i ny forskning offentliggjort i Videnskab .

Holdet opdagede, at ved at holde spidsen af ​​deres mikroskop ekstremt tæt på det molekyle, der blev studeret, inden for 600-800 billiontedele af en meter, varigheden af, hvor længe elektronen klæber til målmolekylet, kan reduceres med over to størrelsesordener, og så den resulterende reaktion, her driver individuelle toluenmolekyler til at løfte sig (desorbere) fra en siliciumoverflade, kan styres.

Holdet mener, at dette skyldes, at spidsen og molekylet interagerer for at skabe en ny kvantetilstand, som tilbyder en ny kanal for elektronen at hoppe til fra molekylet, dermed reducere den tid, elektronen bruger på molekylet og dermed reducere chancerne for, at elektronen forårsager en reaktion.

Når det er mest følsomt betyder dette, at reaktionstiden kan kontrolleres for dens naturlige grænse til 10 femtosekunder ned til kun 0,1 femtosekunder.

Dr. Rusimova sagde:"Dette var data fra et fuldstændig standardeksperiment, vi lavede, fordi vi troede, vi havde opbrugt alle de interessante ting - dette var blot en sidste kontrol. Men mine data så 'forkerte' ud - alle graferne skulle gå op og min gik ned."

Dr. Peter Sloan, hovedforfatter på undersøgelsen, tilføjede:"Hvis dette var korrekt, vi havde en helt ny effekt, men vi vidste, at hvis vi skulle hævde noget så slående, skulle vi gøre noget arbejde for at sikre, at det er ægte og ikke skyldes falske positiver."

"Jeg synes altid, vores mikroskop er lidt ligesom Millennium Falcon, ikke for elegant, holdt sammen af ​​de mennesker, der driver det, men helt fantastisk til hvad den gør. Mellem Kristina og ph.d. studerende Rebecca Purkiss niveauet af rumlig kontrol, de havde over mikroskopet, var nøglen til at låse op for denne nye fysik."

Dr. Sloan tilføjede:"Det grundlæggende formål med dette arbejde er at udvikle værktøjerne til at tillade os at kontrollere stof ved denne ekstreme grænse. Det være sig at bryde kemiske bindinger, som naturen ikke rigtig ønsker, at du skal bryde, eller at producere molekylære arkitekturer, der er termodynamisk forbudte. Vores arbejde tilbyder en ny vej til at kontrollere enkelte molekyler og deres reaktion. Grundlæggende har vi en ny urskive, vi kan indstille, når vi kører vores eksperiment. Den ekstreme karakter af at arbejde på disse skalaer gør det svært at gøre, men vi har ekstrem opløsning og reproducerbarhed med denne teknik."

Holdet håber, at deres nye teknik vil åbne døren for masser af nye eksperimenter og opdagelser på nanoskala, takket være de muligheder, det giver for første gang.