Lần đầu tiên chụp ảnh các nguyên tử đang chuyển động trong một phân tử

Sử dụng một camera mới cực nhanh, lần đầu tiên các nhà nghiên cứu đã ghi được ảnh trực tiếp của hai nguyên tử đang dao động trong một phân tử.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature số ra tuần này. Yếu tố then chốt trong thí nghiệm là các nhà nghiên cứu khai thác năng lượng của electron của chính phân tử đó làm “đèn flash” rọi sáng chuyển động phân tử.

Đội nghiên cứu đã sử dụng các xung laser cực nhanh đánh bật một electron ra khỏi quỹ đạo tự nhiên của nó trong một phân tử. Sau đó, electron rơi về phía phân tử tán xạ ra nó, tương tự như cách một lóe sáng tán xạ xung quanh một vật, hay một gợn nước phân tán ra trên mặt hồ.

Giáo sư Louis DiMauro tại trường Đại học Ohio cho biết kì công trên đánh dấu một bước tiến bộ không những chỉ quan sát các phản ứng hóa học, mà còn điều khiển chúng ở cấp bậc nguyên tử nữa.

“Qua những thí nghiệm này, chúng tôi nhận ra rằng chúng ta có thể điều khiển quỹ đạo lượng tử của electron khi nó trở lại với phân tử, bằng cách điều chỉnh xung laser đánh bật nó ra,” DiMauro nói. “Bước tiếp theo sẽ là xem chúng ta có thể lái electron đó theo ý muốn hay không để thật sự điều khiển một phản ứng hóa học.”

Phân tử nitrogen trong thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Ohio. Hình ảnh mọi sự biến đổi mà phân tử đã trải qua trong thời gian giữa những xung laser ngắn một phần nghìn triệu triệu của một giây. Chuyển động của các nguyên tử thành phần được thể hiện là một số đo của xung lượng góc tăng dần, với thang đo từ xanh đậm tới hồng, với màu hồng thể hiện vùng có xung lượng lớn nhất. Ảnh: Cosmin Blaga

Một kĩ thuật chuẩn chụp ảnh một vật đứng yên là bắn một chùm electron vào vật – bắn phá nó với hàng triệu electron mỗi giây. Cách tiếp cận lượng tử electron độc thân mới của các nhà nghiên cứu cho phép họ chụp ảnh chuyển động phân tử nhanh, dựa trên những phát triển lí thuyết của các tác giả tại trường Đại học Kansas.

Một kĩ thuật gọi là nhiễu xạ electron cảm ứng laser (LIED) thường được sử dụng trong ngành khoa học bề mặt để nghiên cứu các chất rắn. Ở đây, các nhà nghiên cứu đã sử dụng nó để khảo sát chuyển động của các nguyên tử trong một phân tử độc thân.

Những phân tử họ chọn để nghiên cứu là những phân tử đơn giản: nitrogen, hay N₂, và oxygen, hay O₂. N₂ và O₂ là những chất khí có nhiều trong khí quyển, và các nhà khoa học đã biết rõ từng chi tiết về cấu trúc của chúng, cho nên hai phân tử rất cơ bản này là trường hợp thử tốt nhất cho phương pháp LIED.

Trong mỗi trường hợp, các nhà nghiên cứu chiếu lên phân tử những xung laser 50 femto giây, hay một phần nghìn triệu triệu của một giây. Họ có thể đánh bật một electron độc thân ra khỏi lớp vỏ ngoài của phân tử và phát hiện ra tín hiệu tán xạ của electron đó khi nó va chạm trở lại với phân tử.

DiMauro và nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ Cosmin Blaga ví von tín hiệu electron tán xạ đó với hình ảnh nhiễu xạ do ánh sáng tạo ra khi nó đi qua những khe hẹp. Chỉ cần biết hình ảnh nhiễu xạ, các nhà khoa học có thể xây dựng lại kích cỡ và hình dạng của các khe. Trong trường hợp này, chỉ cần biết hình ảnh nhiễu xạ của electron, các nhà vật lí đã xây dựng lại kích cỡ và hình dạng của phân tử - nghĩa là, vị trí của các hạt nhân nguyên tử thành phần.

Theo Blaga giải thích, điều quan trọng là trong khoảng thời gian ngắn giữa lúc electron bị đánh bật ra khỏi phân tử và lúc nó va chạm trở lại, các nguyên tử trong phân tử đã di chuyển. Phương pháp LIED có thể chụp ảnh sự chuyển động này, “tương tự như việc quay phim thế giới lượng tử vậy,” ông nói.

Ngoài khả năng điều khiển các phản ứng hóa học, kĩ thuật trên còn mang lại một công cụ mới để nghiên cứu cấu trúc và cơ chế động lực học của vật chất, ông nói. “Xét cho cùng, chúng ta muốn thật sự hiểu rõ các phản ứng hóa học xảy ra như thế nào. Cho nên, xét về lâu dài, sẽ có những ứng dụng trong ngành khoa học vật liệu và cả trong sản xuất hóa chất.”

“Bạn có thể sử dụng phương pháp này để nghiên cứu từng nguyên tử một,” Dimauro nói, “nhưng tác động lớn hơn đối với khoa học sẽ xuất hiện khi chúng ta có thể nghiên cứu phản ứng xảy ra giữa những phân tử phức tạp hơn. Mới nhìn vào hai nguyên tử thôi – hãy còn một quãng đường xa mới vươn tới nghiên cứu một phân tử hấp dẫn hơn như protein.

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học Ohio (web)

Bài trước | Bài kế tiếp