Các nhà vật lý di chuyển và kiểm soát các phân tử riêng lẻ

Kỹ thuật mới sẽ mở ra khả năng nghiên cứu trên các lĩnh vực khoa học nano và vật lý nano.

Ảnh: Kính hiển vi quét đường hầm. Đại học Bath

Các nhà vật lý tại Đại học Bath đã phát hiện ra cách điều khiển và kiểm soát các phân tử riêng lẻ trong một phần triệu tỉ giây, sau khi bị hấp dẫn bởi một số kết quả dường như kỳ quặc.

Kỹ thuật mới của họ là cách nhạy cảm nhất để kiểm soát phản ứng hóa học trên quy mô nhỏ nhất mà các nhà khoa học có thể nghiên cứu - ở mức phân tử đơn lẻ.

Một thí nghiệm ở giới hạn cao nhất của khoa học nano được gọi là "STM - scanning tunnelling microscope (quét đường hầm kính hiển vi phân tử)" thường được sử dụng để quan sát các phân tử phản ứng như thế nào khi kích thích bằng cách thêm một electron. Một nhà hóa học truyền thống có thể sử dụng một ống nghiệm và một ổ ghi Bunsen để điều khiển phản ứng; ở đây họ sử dụng kính hiển vi và dòng điện của nó để điều khiển phản ứng. Dòng điện là rất nhỏ, nó giống với hàng loạt các electron riêng lẻ chạm vào phân tử đích. Nhưng toàn bộ thí nghiệm này là một quá trình thụ động - một khi electron được thêm vào các nhà nghiên cứu phân tử chỉ có thể quan sát điều gì xảy ra.

Nhưng khi Tiến sĩ Kristina Rusimova xem xét dữ liệu của cô ấy từ phòng thí nghiệm trong khi đi nghỉ, cô ấy đã phát hiện ra một số kết quả bất thường trong một thử nghiệm chuẩn, mà những cuộc điều tra sau đó không thể giải thích được. Khi dòng điện được bật lên, phản ứng luôn trở nên nhanh hơn, ngoại trừ điều đó không xảy ra ở đây.

Tiến sĩ Rusimova và các đồng nghiệp đã dành hàng tháng để suy nghĩ về các giải thích có thể để loại bỏ hiệu ứng và lặp lại các thí nghiệm, nhưng cuối cùng nhận ra rằng họ đã tìm ra cách để kiểm soát các thí nghiệm phân tử đơn với một mức độ chưa từng thấy.

Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách giữ đầu của kính hiển vi cực gần với phân tử đang được nghiên cứu, trong khoảng 600-800 tỷ của một mét, thời gian mà electron dính vào phân tử đích có thể giảm xuống dưới hai bậc độ lớn, và do đó, phản ứng kết quả, ở đây là việc lái các phân tử toluene riêng lẻ để nhấc ra (desorb) từ bề mặt silicon, có thể được kiểm soát.

Nhóm nghiên cứu tin rằng điều này là do đầu và phân tử tương tác để tạo ra trạng thái lượng tử mới, cung cấp một kênh mới cho electron nhảy từ phân tử này, do đó giảm thời gian electron ở trên phân tử và do đó làm giảm cơ hội electron đó gây ra phản ứng.

Tại thời điểm nhạy cảm nhất, điều này có nghĩa là thời gian phản ứng có thể được kiểm soát với giới hạn tự nhiên của nó là 10 femtoseconds (1 phần triệu tỉ giây) xuống còn 0,1 femtoseconds (1 phần triệu tỉ giây).

Tiến sĩ Rusimova nói: “Đây là dữ liệu từ một thử nghiệm hoàn toàn tiêu chuẩn chúng tôi đã làm vì chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi đã cạn kiệt tất cả những thứ thú vị - đây chỉ là một kiểm tra cuối cùng. Nhưng dữ liệu của tôi trông 'sai' - tất cả các đồ thị được cho là sẽ đi lên và của tôi đã đi xuống”.

Tiến sĩ Peter Sloan, tác giả chính của nghiên cứu, nói thêm: “Nếu điều này đúng, chúng tôi đã có một hiệu ứng hoàn toàn mới, nhưng chúng tôi biết nếu chúng tôi định yêu cầu bất cứ điều gì nổi bật như vậy, chúng tôi cần phải làm một số công việc để đảm bảo rằng nó là sự thật chứ không phải là sai lầm tích cực". “Tôi luôn nghĩ rằng kính hiển vi của chúng tôi hơi giống như Millennium Falcon, không quá thanh lịch, được tổ chức cùng nhau bởi những người chạy nó, nhưng hoàn toàn tuyệt vời ở những gì nó làm. Giữa Kristina và sinh viên tiến sĩ Rebecca Purkiss mức độ kiểm soát không gian họ có trên kính hiển vi là chìa khóa để mở khóa lĩnh vực vật lý mới này”.

Tiến sĩ Sloan nói thêm: “Mục đích cơ bản của công việc này là phát triển các công cụ để cho phép chúng ta kiểm soát vật chất ở giới hạn cực tiểu này. Có thể phá vỡ liên kết hóa học mà tự nhiên không thực sự muốn bạn phá vỡ, hoặc tạo ra các kiến trúc phân tử bị cấm nhiệt động lực học. Công việc của chúng tôi cung cấp một lộ trình mới để kiểm soát các phân tử đơn và phản ứng của chúng. Về cơ bản, chúng tôi có một bộ số mới mà chúng tôi có thể đặt khi chạy thử nghiệm của mình. Bản chất cực tiểu của việc làm việc trên những quy mô này làm cho công việc này trở nên khó, nhưng chúng tôi có độ phân giải và khả năng tái tạo cực độ với kỹ thuật này”.

Nhóm nghiên cứu hy vọng rằng kỹ thuật mới của họ sẽ mở ra cánh cửa cho rất nhiều thí nghiệm và khám phá mới ở cấp độ nano, nhờ vào các tùy chọn mà nó cung cấp lần đầu tiên.

Theo Vista.gov.vn