FoodPro Preloader

CT-skanning for molekyler


I kvanteverdenen er objekter beskrevet av bølgefunksjoner. Elektroner rundt et molekyl finnes for eksempel i wavelike orbitaler, utsmykket former som bestemmer egenskaper som elektronens energi og tilbøyelighet for molekylet til å gjennomgå ulike kjemiske reaksjoner. Men orbitaler er glatte critters som, på grunn av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, utfordrer rutinemessige innsats for å bilde dem helt og nøyaktig. Nå ha

I kvanteverdenen er objekter beskrevet av bølgefunksjoner. Elektroner rundt et molekyl finnes for eksempel i wavelike orbitaler, utsmykket former som bestemmer egenskaper som elektronens energi og tilbøyelighet for molekylet til å gjennomgå ulike kjemiske reaksjoner. Men orbitaler er glatte critters som, på grunn av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp, utfordrer rutinemessige innsats for å bilde dem helt og nøyaktig. Nå har imidlertid forskere ved Canadas nasjonalt forskningsråd i Ottawa produsert en tredimensjonal skanning av den ytre elektronen rundt et nitrogenmolekyl. "Lukkerhastigheten" av avbildningsmetoden er rask nok til at en dag kan bli tatt av molekyler fanget midt i en kjemisk reaksjon.

Gruppen, ledet av Paul B. Corkum og David M. Villeneuve, bruker en laserpuls som varer bare 30 femtosekunder (3 x 1014 sekunder). I løpet av laserpulsen svinger det elektriske feltet til lysbølgen omtrent et dusin ganger. Hver sving driver den ytterste elektronen av nitrogenmolekylet vekk fra molekylet og tilbake igjen.

Selv om det kan virke som at teamet stoler på en laser for å "lyse opp" elektronen, er det faktisk elektronen på vei tilbake mot molekylet som fungerer som bildestrålen. Nærmere bestemt driver laserfeltet en liten del av elektronens bølgefunksjon vekk og tilbake. Tenk på det da elektronen er to steder samtidig; for det meste er det fortsatt på plass i sin opprinnelige omløp rundt nitrogen, men delvis blir det dratt bort.

Den skarpe akselerasjonen gjør den elektroniske bølgen til en planbølge, som en fin vanlig puls av en elektronstråle med en ekstrem kort bølgelengde - akkurat den typen stråle som er nyttig for avbildning. Når planetbølgen returnerer og krysser molekylet, produserer det et interferensmønster med den stasjonære delen av elektronbølgefunksjonen, som to tog med vannbølger som krysser og danner en tverrfeltforstyrrelse.

For å fullføre bildebehandlingen må det oppdages interferensmønster. Når flybølgen beveger seg langs, svinger mønsteret raskt, noe som fører til at den avgir ultrafiolett stråling som forskerne ser på. Informasjon om skyggen av elektronbanen som sett av den elektroniske bølgen som er på reise, er påtrykt ultraviolettemisjonen. Å produsere et tredimensjonalt bilde krever gjentakelse av prosessen i forskjellige vinkler, som en CT-skanner for sykehus. Vinklene settes ved å tilpasse alle nitrogenmolekylene i prøven med en noe svakere laserpuls noen få pikosekunder (1012 sekunder) før bildepulsen kommer.

Resultatet av avbildningen stemmer ganske bra med formen av elektronens orbital beregnet teoretisk. "Jeg var veldig spent når jeg så de eksperimentelt oppnådde bildene av molekylære orbitaler for første gang, " sier Ferenc Krausz fra Max Planck Institute of Quantum Optics i nærheten av München. "Teknikken har stort potensial." I slutten av 2003 demonstrerte Krauszs gruppe en annen form for bildebehandling ved bruk av 250-attosekund (2, 5 x 1016 sekunders) pulser av ekstremt ultrafiolett lys, de korteste lyspulser som noensinne er produsert. De to metodene er komplementære - Krausz involverer dynamikken til indre elektroner, Corkum og Villeneuve arbeider med de ytre elektronene.

Av stor interesse vil være anvendelsen av teknikken til mer kompliserte molekyler og til molekyler fanget i prosessen med å gjennomgå en kjemisk reaksjon. Villeneuve sier at han vurderer trifluormetyljodid, som kan brytes opp av pulser fra gruppens laser. "Da kunne vi følge dissosiasjonen, " sier han, "og måle hvordan atomen beveger seg."

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert med tittelen "CT Scan for Molecules"

The Carbon Trap: Kan Kina overleve uten kull?Kan Offshore Drilling virkelig gjøre USA olje uavhengig?Vil billig naturgass gjenopplive hydrogenbilen?Dagens klimaendring virker mye raskere enn endringer i de siste 65 millioner åreneGlad 170 til!Amerikas beste klimaforsvar ligger i offentlige landEn matematisk guide til verdens mest levende byerDyr over hele verden Stick nær hjemmet når mennesker beveger seg inn