Med ultrakold kemi, forskere får et første kig på præcis, hvad der sker under en kemisk reaktion

Den koldeste kemiske reaktion i det kendte univers fandt sted i det, der ser ud til at være et kaotisk rod af lasere. Udseendet bedrager:Dybt inde i det omhyggeligt organiserede kaos, ved temperaturer millioner af gange koldere end interstellært rum, Kang-Kuen Ni opnåede en præstationsbedrift. Tvinger to ultrakølede molekyler til at mødes og reagere, hun brød og dannede de koldeste bindinger i historien om molekylære koblinger.

"Sandsynligvis i de næste par år, vi er det eneste laboratorium, der kan gøre dette, "sagde Ming-Guang Hu, en postdoktor i Ni -laboratoriet og første forfatter på deres papir offentliggjort i dag i Videnskab . Fem år siden, Ni, Morris Kahn lektor i kemi og kemisk biologi og en pioner inden for ultrakold kemi, satte sig for at bygge et nyt apparat, der kunne opnå de laveste temperatur kemiske reaktioner af enhver aktuelt tilgængelig teknologi. Men de kunne ikke være sikre på, at deres indviklede teknik ville fungere.

Nu, de udførte ikke kun den koldeste reaktion endnu, de opdagede, at deres nye apparat kan noget, selvom de ikke forudsagde. I så intens kulde - 500 nanokelvin eller bare et par milliontedele af en grad over det absolutte nul - bremsede deres molekyler til sådanne ishastigheder, Ni og hendes team kunne se noget, ingen har kunnet se før:det øjeblik, hvor to molekyler mødes for at danne to nye molekyler. I det væsentlige, de fangede en kemisk reaktion i sin mest kritiske og undvigende handling.

Kemiske reaktioner er ansvarlige for bogstaveligt talt alt:vejrtrækning, madlavning, fordøje, skabe energi, lægemidler, og husholdningsprodukter som sæbe. Så, At forstå, hvordan de fungerer på et grundlæggende niveau, kan hjælpe forskere med at designe kombinationer, verden aldrig har set. Med et næsten uendeligt antal nye kombinationer muligt, disse nye molekyler kunne have endeløse anvendelser fra mere effektiv energiproduktion til nye materialer som støbefaste vægge og endnu bedre byggesten til kvantecomputere.

I hendes tidligere arbejde, Ni brugte koldere og koldere temperaturer til at udføre denne kemiske magi:at smede molekyler fra atomer, der ellers aldrig ville reagere. Afkølet til sådanne ekstremer, atomer og molekyler bremser til en kvantesøgning, deres lavest mulige energitilstand. Der, Ni kan manipulere molekylære interaktioner med største præcision. Men selv hun kunne kun se starten på hendes reaktioner:to molekyler går ind, men hvad så? Hvad der skete i midten og slutningen var et sort hul, kun teorier kunne prøve at forklare.

Kemiske reaktioner forekommer på kun milliontedele af en milliarddel af et sekund, bedre kendt i den videnskabelige verden som femtosekunder. Selv nutidens mest sofistikerede teknologi kan ikke fange noget så kortvarigt, selvom nogle kommer tæt på. I de sidste tyve år har forskere har brugt ultrahurtige lasere som hurtigkameraer, snapper hurtige billeder af reaktioner, når de opstår. Men de kan ikke fange hele billedet. "Det meste af tiden, "Ni sagde, "man ser bare, at reaktanterne forsvinder, og produkterne vises på et tidspunkt, man kan måle. Der var ingen direkte måling af, hvad der egentlig skete i disse kemiske reaktioner." Indtil nu.

Ni's ultrakølede temperaturer tvinger reaktioner til en forholdsvis dæmpet hastighed. "Fordi [molekylerne] er så kolde, "Ni sagde, "nu har vi en slags flaskehalseffekt." Da hun og hendes team reagerede to kalium Rubidium -molekyler - valgt for deres smidighed - tvang ultrakølede temperaturer molekylerne til at blive hængende i mellemstadiet i mikrosekunder. Mikrosekunder - blot milliontedele af et sekund - kan virke korte, men det er millioner af gange længere end normalt og længe nok til, at Ni og hendes team kan undersøge den fase, hvor bindinger brydes og dannes, i det væsentlige, hvordan et molekyle bliver til et andet.

Med denne intime vision, Ni sagde, at hun og hendes team kan teste teorier, der forudsiger, hvad der sker i en reaktions sorte hul for at bekræfte, om de har det rigtigt. Derefter, hendes team kan skabe nye teorier, ved hjælp af faktiske data til mere præcist at forudsige, hvad der sker under andre kemiske reaktioner, selv dem, der finder sted i det mystiske kvanteområde.

Allerede, teamet er ved at undersøge, hvad de ellers kan lære i deres ultrakold test seng. Næste, for eksempel, de kunne manipulere reaktanterne, spændende dem, før de reagerer for at se, hvordan deres øgede energi påvirker resultatet. Eller, de kan endda påvirke reaktionen, når den forekommer, skubbe det ene molekyle eller det andet. "Med vores kontrollerbarhed, dette tidsvindue er langt nok, vi kan undersøge, "Sagde Hu." Nu, med dette apparat, vi kan tænke over dette. Uden denne teknik, uden dette papir, vi kan ikke engang tænke over dette. "