De koudste chemische reactie in het bekende universum vond plaats in wat een chaotische puinhoop van lasers lijkt te zijn. De schijn bedriegt:diep in die zorgvuldig georganiseerde chaos, bij temperaturen die miljoenen keren kouder zijn dan de interstellaire ruimte, Kang-Kuen Ni behaalde een prestatie van precisie. Twee ultrakoude moleculen dwingen elkaar te ontmoeten en te reageren, ze brak en vormde de koudste bindingen in de geschiedenis van moleculaire koppelingen.

"Waarschijnlijk in de komende jaren, wij zijn het enige lab dat dit kan, " zei Ming-Guang Hu, een postdoctoraal wetenschapper in het Ni-lab en eerste auteur van hun artikel dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap . Vijf jaar geleden, nee, de Morris Kahn Associate Professor of Chemistry and Chemical Biology en een pionier op het gebied van ultrakoude chemie, uiteengezet om een ​​nieuw apparaat te bouwen dat de laagste temperatuur chemische reacties van alle momenteel beschikbare technologie zou kunnen bereiken. Maar ze konden er niet zeker van zijn dat hun ingewikkelde techniek zou werken.

Nutsvoorzieningen, ze hebben niet alleen de koudste reactie tot nu toe uitgevoerd, ze ontdekten dat hun nieuwe apparaat iets kan doen wat ze zelfs niet hadden voorspeld. In zo'n intense kou - 500 nanokelvin of slechts een paar miljoenste graad boven het absolute nulpunt - vertraagden hun moleculen tot zulke ijssnelheden, Ni en haar team konden iets zien dat niemand eerder heeft kunnen zien:het moment waarop twee moleculen elkaar ontmoeten om twee nieuwe moleculen te vormen. In essentie, ze vingen een chemische reactie in zijn meest kritische en ongrijpbare daad.

Chemische reacties zijn verantwoordelijk voor letterlijk alles:ademen, Koken, verteren, energie creëren, geneesmiddelen, en huishoudelijke producten zoals zeep. Dus, begrijpen hoe ze op een fundamenteel niveau werken, zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van combinaties die de wereld nog nooit heeft gezien. Met een bijna oneindig aantal nieuwe combinaties mogelijk, deze nieuwe moleculen zouden eindeloze toepassingen kunnen hebben, van efficiëntere energieproductie tot nieuwe materialen zoals schimmelbestendige muren en nog betere bouwstenen voor kwantumcomputers.

In haar eerdere werk Ni gebruikte koudere en koudere temperaturen om deze chemische magie te bewerken:het smeden van moleculen van atomen die anders nooit zouden reageren. Afgekoeld tot zulke extremen, atomen en moleculen vertragen tot een kwantumcrawl, hun laagst mogelijke energietoestand. Daar, Ni kan moleculaire interacties met uiterste precisie manipuleren. Maar zelfs zij kon alleen het begin van haar reacties zien:twee moleculen gaan erin, maar wat dan? Wat er in het midden en aan het einde gebeurde, was een zwart gat dat alleen theorieën konden proberen te verklaren.

Chemische reacties vinden plaats in slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde, in de wetenschappelijke wereld beter bekend als femtoseconden. Zelfs de meest geavanceerde technologie van vandaag kan niet iets vastleggen dat zo kort duurt, hoewel sommigen in de buurt komen. In de afgelopen twintig jaar, wetenschappers hebben ultrasnelle lasers gebruikt, zoals snelle actiecamera's, snelle beelden maken van reacties terwijl ze zich voordoen. Maar ze kunnen niet het hele plaatje vastleggen. "Meestal, "Ni zei, "je ziet gewoon dat de reactanten verdwijnen en de producten verschijnen in een tijd die je kunt meten. Er was geen directe meting van wat er werkelijk gebeurde in deze chemische reacties." Tot nu.

Ni's ultrakoude temperaturen dwingen reacties tot een relatief verdoofde snelheid. "Omdat [de moleculen] zo koud zijn, "Ni zei, "nu hebben we een soort bottleneck-effect." Toen zij en haar team reageerden op twee kaliumrubidium-moleculen - gekozen vanwege hun buigzaamheid - dwongen de ultrakoude temperaturen de moleculen om microseconden in het tussenstadium te blijven hangen. Microseconden - slechts een miljoenste van een seconde - lijken misschien kort, maar dat is miljoenen keren langer dan normaal en lang genoeg voor Ni en haar team om de fase te onderzoeken waarin bindingen breken en vormen, in essentie, hoe het ene molecuul in het andere verandert.

Met deze intieme visie, Ni zei dat zij en haar team theorieën kunnen testen die voorspellen wat er in het zwarte gat van een reactie gebeurt om te bevestigen of ze het goed hebben gedaan. Vervolgens, haar team kan nieuwe theorieën bedenken, het gebruik van actuele gegevens om nauwkeuriger te voorspellen wat er gebeurt tijdens andere chemische reacties, zelfs die plaatsvinden in het mysterieuze kwantumrijk.

Nu al, het team onderzoekt wat ze nog meer kunnen leren in hun ultrakoude testbed. Volgende, bijvoorbeeld, ze konden de reactanten manipuleren, hen opwinden voordat ze reageren om te zien hoe hun verhoogde energie de uitkomst beïnvloedt. Of, ze kunnen zelfs de reactie beïnvloeden terwijl deze plaatsvindt, het ene of het andere molecuul aanstoten. "Met onze beheersbaarheid, dit tijdvenster is lang genoeg, we kunnen onderzoeken, ' zei Hu. 'Nu, met dit apparaat, hier kunnen we over nadenken. Zonder deze techniek zonder dit papier, we kunnen hier niet eens over nadenken."