Stručnjaci kompanije IBM su snimili prvu sliku rasporeda naelektrisanja u molekulu

Naučnici koriste specijalnu verziju metode mikroskopije atomskih sila (MAS) pri niskim temperaturama i u vakuumu da otkriju (i prikažu) raspored naelektrisanja unutar pojedinačnog molekula.

Poslednjih dana februara ove godine (27. 2. 2012.) istraživački tim kompanije IBM (Cirih, Švajcarska) je objavio rezultate merenja naelektrisanja i njihove distribucije u okviru jednog molekula.  Vest predstavlja značajan napredak u oblasti mikroskopije. Isto važi i za samu nauku.

Najkraće rečeno, zbog ovog otkrića, možemo videti i bolje razumeti kako nastaju i funkcionišu pojedinačne veze unutar molekula. Samo istraživanje pomera granice i mogućnosti u raznim naučnim i inženjerskim oblastima, kao što su: skladištenje energije, konverzija sunčeve energije i projektovanje kompjuterskih uređaja veličine molekula.

Naučnici Fabian Mon, Leo Gros, Nikolaj Mol i Gerhard Majer (Fabian Mohn, Leo Gross, Nikolaj Moll i Gerhard Meyer) su objavili svoje istraživanje u žurnalu Nature Nanotechnology.

„Ovaj rad prikazuje novu, važnu mogućnost da se direktno izmeri kako se naelektrisanja raspoređuju unutar pojedinačnog molekula“, tvrdi Mikael Kromi (Michael Crommie), profesor na odseku za fiziku pri univerzitetu u Kaliforniji u Berkliju. „Ako smo u stanju da razumemo kako se naelektrisanja raspoređuju po molekulu to, onda, predstavlja osnovno znanje u našem boljem razumevanju ponašanja molekula u različitim okruženjima. Očekujem da će ovo otkriće doneti znatna unapređenja u naučnim oblastima gde se preklapaju fizika, hemija i biologija“.

Nova tehnologija nam pruža komplementarne informacije o molekulima, i na nama je da izaberemo šta želimo prikazati. Ona najviše podseća na vrlo slične medicinske tehnike kao što je X-zračenje, ultra zvuk ili MRI (magnetna rezonanca), koje su u stanju da daju različite informacije o zdravstvenom stanju i anatomiji pacijenta.

Rad se može iskoristiti (kao osnova) za dalje proučavanje prenosa naelektrisanja, sa molekula na molekul.

 „Ova tehnika nam omogućava još jedan način da dođemo do informacija koje će nam još više pomoći da bolje razumemo fizičke pojave koje se dešavaju na nivou 1 nano metra i manje. Ovakvo znanje je suštinsko, ako želimo, u budućnosti, da napravimo uređaje veličine molekula ili atoma.“ objašnjava Fabian Mon, istraživač pri laboratoriji za nano fiziku u sklopu kompanije IBM.

Pogled izbliza

Da bi izmerili distribuciju naelektrisanja, istraživači IBM-a su iskoristili noviju verziju MAS metode nazvanu KPFM (Kelvin probe force microscopy). Reč probe u prethodnoj rečenici se odnosi na pojam probne sonde, koja se koristi u metodi.

Kada se pomenuta probna sonda stavi iznad provodnog uzorka, stvara se električno polje zbog razlike u električnim potencijalima na vrhu same sonde i samog materijala. Sa KPFM metodom, nastala razlika u potencijalima se može meriti tako što se iskoristi struja određene voltaže koja će kompenzovati (neutralisati) nastao potencijal. Na taj način, metoda ne meri direktno naelektrisanje molekula, nego meri električno polje nastalo zahvaljujući tom naelektrisanju. Nastalo polje je jače nad delovima molekulima koja su naelektrisani, što merni uređaj pokazuje kao jači signal. Sem toga, suprotno naelektrisanje (suprotan znak) pokazuje drugačiji kontrast, što ukazuje kakvog je naboja polje – pozitivnog ili negativnog. Tako se pojavljuju tamna i svetla područja na mirkografu.

Prostorni raspored molekula naftalocijanina

Naftalocijanin (C48H26N8), organski molekul prostornog rasporeda poput krsta, koji u IBM-u koriste kao najmanji logički prekidač, se pokazao kao idealni kandidat za istraživanje. On se sastoji od dva vodonikova atoma smeštena u sredinu molekula, a ostatak čine atomi azota i Benzenovi prsteni. Ukupna veličina molekula je 2 nano metra. Dva centralna atoma vodonika mogu kontrolisano menjati svoje dve, različite konfiguracije (prostorni rasporedi). To se postiže pomoću određenog naponska impulsa. Promena mesta vodonikovih atoma utiče na promenu rasporeda naelektrisanja u samom molekulu.

Koristeći KPFM metodu, naučnici su uspeli da snime različite rasporede naelektrisanja za obe konfiguracije. Eksperiment i samo merenje je trajalo nekoliko dana i da bi se postigla pod atomska rezolucija slike, bilo je neophodno da se obezbede određeni toplotni i mehanički uslovi. Kada se ovo kaže, najviše se insistira na stabilnosti uslova, da su praktično nepromenjeni tokom sprovođenja merenja. Sem toga, od uređaja koji su merili, zahtevana je preciznost na nivou jednog atoma.

Sem toga, eksperiment je poboljšan dodavanjem jednog molekula ugljen monoksida (CO) na sam vrh probne sonde. Time je poboljšana rezolucija dobijene slike. Još 2009. godine isti tim istraživača je pokazao da je karbonizovanjem sode moguće prikazati hemijske strukture primenom standardne MAS metode. Teoriju, koja je omogućila pomenuti eksperimentalni rezultat su razvili članovi istraživačkog tima Fabian Mon i Nikolaj Mol.

Rezultati rada su ilustrovani slikama i fotografijama koji se mogu naći na Flick-u.

Najmanji poklon za dan zaljubljenih

Kažu da je pažnja ta koja se računa…

Devojke vole da im polonite pažnju i emociju, ali nisu imune na poklone koji simbolišu vašu privrženost. Šta više…

Pa dobro, ako je tako, sledeći put joj poklonite specijalno srce, za koje će samo ona znati i niko više, jer se jako teško vidi… skoro nemoguće.

Srce, ili oblik koji podseća na srce, sa slike je ništa drugo nego forma nastala uređivanjem pojedinačnih atoma. Istaćiću da je za stvaranje ove prepoznatljive forme bila presudna toplota – nešto što svako od nas traži od ljudskog bića pored njega. Link je ispod slike, sa svim relevatnim naučnim podacima, a da li je slika simpatična, prosudite sami.

Izvor: PSYSORG

Prve slike na svetu koje pokazuju kretanje atoma u molekulu

Istraživači pri državnom univerzitetu u američkoj državi Ohajo (Ohio) su uspeli da naprave prve slike atoma koji se kreću u molekulu!

Koristili su novu tehnologiju, koja, na neki način, pretvara elektrorne unutar molekula u svojevrsne bliceve ili fleš lampe. Na trenutak osvetljavajući molekul, ovi elektoni omogućavaju da se zaviri u njegovu unutrašnjost. Ceo metod pravljenja slika omogućava da se na novi način sagledaju molekuli, ali se naučnici nadaju da će im ovaj novi uvid u  izlgled molekula omogućiti da vrlo diskretno i precizno upravljaju hemijskim reakcijama na atomskom nivou.

Izvor: Gizmodo

 

Elektronski paparazo – sistem koji će fotografisati elektrone tokom akta interakcije sa drugim česticama

U radu publikovanom u jednom od skorašnjih izdanja Nature of Photonics,  internacionalni tim (što je za svaku pohvalu) istraživača je objavio da su napravili značajan iskorak napred u proučavanju fizike elektrona. Sa ovim radom, deluje, da je naučna javnost za korak bliža vrlo zanimljivoj mogućnosti da se naprave efektivni video snimci pojedinačnih elektrona. Nivo mogućnosti koje se naziru je jednak onom kada jednom sa običnog vida ili sočiva pređete na optički mikroskop. Neki bi, jednostavno, rekli: progledao sam…

Šematski prikaz novog dizajna lasera koji će emitovati ultra kratke pulseve svetlosti. Svetlosni talasi različitih frekvencija (crveni i zeleni) su kombinuju u novi talas (žuti), koji prolazi kroz gas (plave tačkice). Svetlost pobuđuje atome gasa, koji, onda ispuštaju višak energije kao svetlost koja poseduje još veću frekvenciju.

Ako se ispostavi da je pristup dobar, to će praktično značiti da će naučnici biti u stanju da istražuju elektrone i njihove interakcije sa, do sada, neverovatnim nivoom detalja. To znači, sa aspekta hemije, da će jedan hemičar moći da posmatra reakciju pojedinačnih molekula. Slično važi za sve grane nauke i tehnologije koje se baziraju na saznanjima koja im pruža hemija.

Grupa istraživača je dosta velika i, samo, 8 njih je sa univerziteta MIT, iz elektronske istraživačke laboratorije ili Research Laboratory of Electronics (RLE). Tehnika koja bi omogućila ovako detaljan pogled u svet elektrona i molekula se bazira na korišćenju lasera. Osnovni koncept podrazumeva da se može proizvesti laserski snop koji bi trajao 1 atosekundu (attosecond), što predstavlja 1 milijarditi deo milijarditog dela sekunde, ili ako vam je teže da zamislite, evo i drugog zapisa: 10-18s. Tu već dolazimo do malog problema: najkraće izmereno vreme je „samo“ 100 atosekundi. Vratimo se laserima i da vidimo zašto je atosekunda toliko važna. Na primer, elektron u vodoniku (H2) obavi jednu revoluciju oko jezgra (jedna krug) za nekih 151 atosekundi. Da bi smo ga uhvatili kako „opšti“ nije nam dovoljan vremenski interval od 100 atosekundi, mora biti barem jedan red veličina manji, ako ne i dva. I taman toliko je atosekunda manja, za dva reda veličina. Kroz brojeve bi to bilo:

Za 151 atosekundu elektron obrne ceo krug ili 360°.

To znači da je potrebno za pola kruga oko 75 atosekundi.

Elektronu je, onda, potrebno 360 : 151 = 2.384 atosekundi da prebriše ugao od jednog stepena.

Dakle, puls od  jedne atosekunde je više nego dobrodošao.

„Ako možete stvoriti puls koji ima kraće trajanje, onda možete da ispitate dinamiku koja se odvija na toj skali“, kaže Franz Kartner (Franz Kaertner), profesor sa odeljenja za elektronski inženjering i kompjuterske nauke, koji je, inače, vodio celo istraživanje. „Ovo nas povezuje sa radom Harolda Edgertona (Harold Edgerton)“, u kome je on bio sposoban da napravi, sa optičkom fotografijom, snimke čije je trajanje bilo mereno u mikro i nano sekundama.“

Da, atosekundni pulsevi lasera su bili mogući i ranije, ali nisu imali dovoljnu jačinu, koja je potrebna za tzv vremensku spektroskopiju, tehnika koja se, tipično, koristi za merenje dinamike elektrona. Novi pristup stvaranju ovih laserskih pulseva, ne samo da će omogućiti veću snagu, nego i jednostavniju aparaturu, što je čini još praktičnijom nego ranije. Deluje kao kombinacija u kojoj svi dobijaju…

Mnogostrukost

Da bi se dobio izuzetno kratki puls svetlosti, neophodno je kombinovati svetlosne talase različitih frekvencija. Talas se može prikazati kao izvijena linija koja u pravilnim razmacima dostiže stalno istu tačku, gde je frekvencija, u stvari, „rastojanje“ između tih dvaju izbočina. Kada kombinujemo dva talasa, on se pojačava tamo gde se ove „izbočine poklapaju“, ali ako nema tog poklapanja dolazi do suprotnog efekta – međusobno se poništavaju. Sa pravom kombinatorikom moguće je napraviti novi talas sa radikalno drugačijom oblikom.

Crni talas je rezultat sabiranja plavog poketnog talasa i žućkastog neporetnog talsa

Drugi naučnici su pokušali da naprave kratke pulseve svetlosti kombinujući laserske zrake, ali su koristili za svaki zrak po jedan laser. Takav pristup u mnogome otežava proces sinhronizacije zrakova, u pokušaju da se njihove amplitude poklope na željeni način. Istraživači iz RLE odseka i njihove kolege sa univerziteta u Sidneju, politehničkog univerziteta u Milanu i hamburškog univerziteta su, umesto toga, provukli jedan laserski zrak kroz kristal koji ga deli na zrake sa različitim frekvencijama. Pošto su zraci iz istog izvora, oni ostaju i dalje savršeno sinhronizovani.

Sve kraće i kraće

Opisana tehnika, daje vrlo kratke laserske pulseve svetla, ali i dalje nisu na nivou atosekunde. Sledeći korak je propustiti dobijene pulseve kroz gas.  Kada čestice laserskog snopa – fotoni – udare u atome gasa, oni bivaju apsorbovani (uobičajena interakcija atoma i fotona), ali se odmah posle apsorpcije desi i proces ponovnog emitovanja novog fotona. Ovi poslednji, ponovo emitovani, fotoni mogu imati frekvencije koje mogu biti mnogo puta veće od onog fotona koji je udario u atom. Veće frekvencije znače još kraće pulseve svetlosti.

Međutim, RLE istraživači još nisu sproveli poslednji korak. Za sada, oni provlače laserski zrak kroz dva pojačavača da bi mu povećali energiju, ali i dalje ima potrebe za dodatnom energijom da bi izazvao dovoljno visoko frekventne fotone iz interakcije sa gasom. Dodavanje još jednog pojačavača bi trebalo da reši energetski problem, ali to, trenutno, uspostavlja dodatne tehničke i inženjerske probleme koji se moraju rešiti.

Jan Valmsli (Ian Walmsley), profesor fizike sa Oksfordskog univerziteta i vođa univerzitetske grupe koja se bavim kvantnom optikom (Ultrafast Quantum Optics Group), kaže da je modularnost pristupa ove grupe istraživača najveća prednost. „Pametan dizajn koji primenjuju Franz i njegove kolege koristi mogućnost da sve komponente rade u sinhronom režimu.“, tvrdi Valmsli. „Ovaj novi pristup, mislim da je vrlo važan jer, u principu, omogućava generisanje mnogo većih energija u tim kratkim pulsevima.“

Valsmli, doduše, sumnja da taj poslednji gasni korak u proizvodnji dovoljno kratkih pulseva svetlosti „neće biti jednostavan.“ Ali, odmah dodaje: „Postoje aspekti ovog pristupa problemu koji obećavaju. Može se pokazati kao izazov za sebe postići sve kraće i kraće impulse, ali mislim, da je moguće izvesti.“

Ok, i čemu sve to?

Recimo, na primer, da ne znamo mnogo o molekulima, atomima i elektronima. Krenimo samo od toga da se elektroni vrte oko jezgra. Zamislimo sada da je to isto kada bismo uzeli neki satelit i postavili ga da se okreće oko planete Zemlje. Ono što je problem naučnicima, još uvek, je činjenica da oni ne mogu da vide elektron kako se tačno kreće, jer je mnogo brz. Ako se vratimo na primer sa Zemljom to bi, sa bilo koje distance, izgledalo kao da naša planeta ima prsten poput onih koji se nalaze oko Saturna, jer se taj virtuelni satelit užasno brzo kreće.

Sada, sa novim metodama, elektron više nije tako brz, tačnije, on se i dalje kreće istom brzinom, ali naša kamera je sada „brža“ od njega. Prva dobra stvar – elektron će još biti opipljiviji, kao materijalni objekat. Drugo, njegova putanja će biti, teoretski, oslikana direktno, korak po korak.

Doduše, ostaje pitanje, šta se dešava sa definicijom elektronskih orbitala koja se mogla dosta često čuti i tokom školovanja:

„Orbitale su najverovatnije putanje na kojima se nalaze elektroni…“

Ako priča o laserima znači da će u prethodnoj rečenici reč najverovatnije biti zamenjena sa sigurno, to je za naučni svet, najverovatnije 🙂, veliki korak u istraživanju sveta elementarnih čestica.