Natuurkundigen van de Universiteit van Bath hebben ontdekt hoe individuele moleculen een miljoenste van een miljardste van een seconde kunnen worden gemanipuleerd en gecontroleerd. na geïntrigeerd te zijn door een aantal schijnbaar vreemde resultaten.

Hun nieuwe techniek is de meest gevoelige manier om een ​​chemische reactie te beheersen op enkele van de kleinste schalen die wetenschappers kunnen werken - op het niveau van een enkel molecuul. Het zal onderzoeksmogelijkheden openen op het gebied van nanowetenschap en nanofysica.

Een experiment op de uiterste grens van de nanowetenschap genaamd "STM (scanning tunneling microscope) moleculaire manipulatie" wordt vaak gebruikt om te observeren hoe individuele moleculen reageren wanneer ze worden geëxciteerd door een enkel elektron toe te voegen.

Een traditionele chemicus kan een reageerbuis en een bunsenbrander gebruiken om een ​​reactie op gang te brengen; hier gebruikten ze een microscoop en zijn elektrische stroom om de reactie aan te sturen. De stroom is zo klein dat het meer lijkt op reeksen van individuele elektronen die het doelmolecuul raken. Maar dit hele experiment is een passief proces - zodra het elektron aan het molecuul is toegevoegd, observeren onderzoekers alleen wat er gebeurt.

Maar toen Dr. Kristina Rusimova haar gegevens uit het lab bekeek terwijl ze op vakantie was, ze ontdekte enkele afwijkende resultaten in een standaardexperiment, die bij nader onderzoek niet konden worden weggeredeneerd. Wanneer de elektrische stroom wordt ingeschakeld, reacties gaan altijd sneller, behalve hier deed het dat niet.

Dr. Rusimova en collega's hebben maandenlang nagedacht over mogelijke verklaringen om het effect te ontkrachten, en het herhalen van de experimenten, maar realiseerden zich uiteindelijk dat ze een manier hadden gevonden om experimenten met één molecuul in een ongekende mate te controleren, in nieuw onderzoek gepubliceerd in Wetenschap .

Het team ontdekte dat door de punt van hun microscoop extreem dicht bij het bestudeerde molecuul te houden, binnen 600-800 biljoenste van een meter, de duur van hoe lang het elektron aan het doelmolecuul blijft plakken, kan met meer dan twee ordes van grootte worden verminderd, en dus de resulterende reactie, hier drijven individuele tolueenmoleculen op om op te stijgen (desorberen) van een siliciumoppervlak, gecontroleerd kan worden.

Het team denkt dat dit komt doordat de punt en het molecuul een interactie aangaan om een ​​nieuwe kwantumtoestand te creëren. die een nieuw kanaal biedt voor het elektron om van het molecuul naar toe te springen, waardoor de tijd die het elektron aan het molecuul besteedt, wordt verminderd en zo de kans wordt verkleind dat dat elektron een reactie veroorzaakt.

Op zijn gevoeligst betekent dit dat de reactietijd kan worden geregeld voor zijn natuurlijke limiet van 10 femtoseconden tot slechts 0,1 femtoseconde.

Dr. Rusimova zei:"Dit waren gegevens van een volkomen standaardexperiment dat we aan het doen waren omdat we dachten dat we alle interessante dingen hadden uitgeput - dit was slechts een laatste controle. Maar mijn gegevens zagen er 'fout' uit - alle grafieken moesten gaan omhoog en de mijne ging naar beneden."

Dr. Peter Sloan, hoofdauteur van het onderzoek, toegevoegd:"Als dit correct was, we hadden een volledig nieuw effect, maar we wisten dat als we iets zo opvallends zouden claimen, we wat werk moesten verzetten om ervoor te zorgen dat het echt was en niet tot valse positieven."

"Ik denk altijd dat onze microscoop een beetje lijkt op de Millennium Falcon, niet te elegant, bij elkaar gehouden door de mensen die het runnen, maar absoluut fantastisch in wat het doet. Tussen Kristina en Ph.D. student Rebecca Purkiss het niveau van ruimtelijke controle dat ze hadden over de microscoop was de sleutel tot het ontsluiten van deze nieuwe fysica."

Dr. Sloan voegde toe:"Het fundamentele doel van dit werk is om de instrumenten te ontwikkelen waarmee we materie tot deze uiterste grens kunnen beheersen. Of het nu gaat om het verbreken van chemische bindingen die de natuur niet echt wil dat je verbreekt, of het produceren van moleculaire architecturen die thermodynamisch verboden zijn. Ons werk biedt een nieuwe manier om afzonderlijke moleculen en hun reactie te controleren. In wezen hebben we een nieuwe wijzerplaat die we kunnen instellen bij het uitvoeren van ons experiment. De extreme aard van het werken op deze schalen maakt het moeilijk om te doen, maar we hebben een extreme resolutie en reproduceerbaarheid met deze techniek."

Het team hoopt dat hun nieuwe techniek de deur zal openen voor veel nieuwe experimenten en ontdekkingen op nanoschaal, dankzij de opties die het voor het eerst biedt.