| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
První záznam pohybů uvnitř molekuly
Jiřina Scholtzová
Počátkem letošního března vyšel v časopisu Nature článek „Zobrazování ultrarychlé molekulární dynamiky za pomoci laserem vyvolaného ohybu elektronů" (Imaging ultrafast molecular dynamics with laser-induced electron diffraction) popisující metodu sledování pohybujících se atomů v molekulách. Tento experiment může představovat první krok k pozorování chemických reakcí nebo jejich řízení v atomárním měřítku.
Molekula dusíku. Zdroj: Russell Kightley Media.
|
Atom – základní strukturní jednotka hmoty, jádro je složeno z neutronů a protonů, obaly z elektronů. Rozměry atomu jsou 10−10 m, rozměry jádra 10−14 m, hustota atomu je 1011 g·cm−3, hustota jádra 1014 g·cm−3. Elektrony nejsou v atomárnáím obalu lokalizovány, můžeme určit jen pravděpodobnosti jejich výskytu v tzv. orbitalech. Elektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. Orbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce. |
Technika zvaná laseremLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu. vyvolaný ohyb elektronuElektron – první objevená elementární částice. Je stabilní. Hmotnost má 9,1×10−31 kg a elektrický náboj 1,6×10−19 C. Elektron objevil sir Joseph John Thomson v roce 1897. Existenci antičástice k elektronu (pozitron) teoreticky předpověděl Paul Dirac v roce 1928 a objevil Carl Anderson v roce 1932. (LIED, Laser Induced Electron Diffraction) se běžně používá při studiu povrchů pevných látek. Na Ohijské státní univerzitě ji použil Louis DiMauro se svým týmem ke studiu pohybů atomů v jedné molekule. Nový přístup pomocí velice krátkého laserového pulzu dokáže zasáhnout pouze jeden elektron, a tím zobrazit rychlé molekulární pohyby. V experimentu byly použity velmi krátké infračervené laserové pulzy (s dobou trvání 50 femtosekund – 10−15 s). Toto velice malé energetické kvantum vyrazilo právě jeden elektron z jeho normálního orbitaluOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce. v molekule nebo krystalové mřížce. Cestou zpět elektron vyzařuje původní nebo jiná energetické kvanta, ze kterých je možné dopočítat jeho pohyb. Návrat elektronu se podařilo zachytit novou ultrarychlou kamerou.
Při experimentech byly použity jednoduché molekuly dusíkuDusík – Nitrogenium, plynný chemický prvek tvořící hlavní složku zemské atmosféry. Patří mezi biogenní prvky, které jsou základními stavebními kameny živé hmoty. Tento plyn popsal jako první Němec Carl Wilhelm Scheele v roce 1777. Poté co bylo zjištěno, že je kyselina dusičná odvozena od dusíku, pro něj Chaptal navrhl název nitrogéne, což znamená ledkotvorný, který se udržel v latinském označení nitrogenium. N2 a kyslíkuKyslík – Oxygenium, plynný chemický prvek, tvoří druhou hlavní složku zemské atmosféry. Je biogenním prvkem a jeho přítomnost je nezbytná pro existenci většiny živých organizmů na naší planetě. V atmosféře tvoří plynný kyslík 21 objemových %. Kromě obvyklých dvouatomových molekul O2 se kyslík vyskytuje i ve formě tříatomové molekuly jako ozon O3. Produkty hoření se nazývají oxidy, dříve kysličníky. Kyslík je třetím nejhojnějším prvkem ve vesmíru. O2, které mají známou strukturu. Molekula byla zasažena laserovým pulzem, čímž se podařilo excitovat pouze jeden elektron z valenčního orbitaluOrbital – oblast v atomárním či molekulárním obalu, kde se vyskytuje elektron. Pravděpodobnost výskytu elektronu v orbitalu je rovna druhé mocnině velikosti komplexní vlnové funkce. a následně zaznamenat rozptýlený signál elektronu při návratu do původní polohy. Signál je možné přirovnat k ohybovému obrazci, které tvoří světlo při přechodu štěrbinami. Ze signálu je možné rekonstruovat velikost a tvar molekuly, tj. umístění jader atomů prvku. Během krátkého časového rozpětí mezi okamžikem, kdy je elektron vytržen z molekuly, a kdy je znovu přijat, se atomy v molekulách mohou pohnout. A právě touto metodou je možné zachytit nepatrný pohyb atomů v molekule.
Zobrazení pohybu atomů v molekule dusíku N2, které bylo získáno z ohybového obrazce záření elektronu při návratu na jeho původní energetickou hladinu. Změny molekuly, kterými prošla v době mezi jednotlivými pulzy laserového záření (10-15 s), jsou způsobeny vibracemi atomů. Jejich pohyb je zobrazen jako změna hybnosti (nejnižší hodnota je tmavě modrá, nejvyšší je růžová).
Výzkum, který provádí tým z Ohijské státní univerzity a z Kansaské státní univerzity, je teprve na počátku. Již nyní je ale zřejmé, že je důležitou alternativou ke standardně používaným metodám, při kterých jsou atomy v molekule lokalizovány za pomoci ohybu rentgenového nebo elektronového svazku. Nová metoda k rekonstrukci pozice atomů v molekule využívá jeden jediný elektron, její časové rozlišení je v desítkách femtosekund (konkurenční metody mají časové rozlišení o dva řády horší), a tak jde v tuto chvíli o jedinou metodu umožňující zobrazit vibrace atomů v molekulách. Metoda LIED by mohla být využita i k řízení chemických reakcí na atomární úrovni, ke studiu struktury a dynamiky hmoty nebo při výzkumu materiálů a v chemické výrobě. Metodou je možné zkoumat jednotlivé atomy nebo v budoucnu možná i reakce složitějších molekul, jakými jsou například proteiny.
Objevitelé nové metody. Zleva: Cosmin Blaga, Louis DiMauro a Anthony DiChiara.
Odkazy
- Pam Frost Gorder: Researches Capture First-ever images of Atoms Moving in a Molecule; OSU archive, 7 Mar 2011
- Researchers Capture First-Ever Image of Two Atoms Forming a Molecule; Science Daily 7 Mar 2012
- Cosmin Blaga et al.: Lin. Imaging ultrafast molecular dynamics with laser-induced electron diffraction; Nature 483 (2012) 7388
- Physics News: First-ever images of atoms moving in a molecule captured
- KSU News: J.R. Macdonald Laboratory physicists help capture first image of atomic motions in a chemical reaction; 12 Mar 2012
