Tin tức Deeper

Với hóa học ultracold, các nhà nghiên cứu có cái nhìn đầu tiên về chính xác những gì xảy ra trong một phản ứng hóa học

Ngày:
Th12 07, 2019
Tóm lược:

Ở nhiệt độ lạnh hơn hàng triệu lần so với không gian giữa các vì sao, các nhà nghiên cứu đã thực hiện phản ứng lạnh nhất trong vũ trụ được biết đến. Nhưng đó không phải là tất cả. Trong cái lạnh dữ dội như vậy, các phân tử của chúng chậm lại với tốc độ băng hà như vậy, chúng có thể thấy một thứ mà không ai có thể nhìn thấy trước đó: khoảnh khắc hai phân tử gặp nhau tạo thành hai phân tử mới. Về bản chất, các nhà khoa học đã bắt được một phản ứng hóa học trong hành động quan trọng và khó nắm bắt nhất của nó.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Phản ứng hóa học biến đổi chất phản ứng thành sản phẩm thông qua trạng thái trung gian nơi liên kết bị phá vỡ và hình thành. Thường là quá ngắn để quan sát, giai đoạn này cho đến nay đã lảng tránh điều tra thân mật. Bằng cách "đóng băng" sự quay, rung và chuyển động của các chất phản ứng (ở đây, các phân tử kali-rubidium) đến nhiệt độ 500 nanokelvin (hầu như không vượt quá nhiệt độ không tuyệt đối), số lượng thoát ra cho phép đối với các sản phẩm bị hạn chế. "Bị mắc kẹt" trong trung gian lâu hơn, các nhà nghiên cứu có thể quan sát trực tiếp pha này với phát hiện quang hóa. Kỹ thuật này mở đường cho việc kiểm soát lượng tử các phản ứng hóa học với các phân tử cực trị. Tín dụng hình ảnh: Ming-Guang Hu
Phản ứng hóa học biến đổi chất phản ứng thành sản phẩm thông qua trạng thái trung gian nơi liên kết bị phá vỡ và hình thành. Thường là quá ngắn để quan sát, giai đoạn này cho đến nay đã lảng tránh điều tra thân mật. Bằng cách “đóng băng” sự quay, rung và chuyển động của các chất phản ứng (ở đây, các phân tử kali-rubidium) đến nhiệt độ 500 nanokelvin (hầu như không vượt quá nhiệt độ không tuyệt đối), số lượng thoát ra cho phép đối với các sản phẩm bị hạn chế. “Bị mắc kẹt” trong trung gian lâu hơn, các nhà nghiên cứu có thể quan sát trực tiếp pha này với phát hiện quang hóa. Kỹ thuật này mở đường cho việc kiểm soát lượng tử các phản ứng hóa học với các phân tử cực trị. Tín dụng hình ảnh: Ming-Guang Hu

Phản ứng hóa học lạnh nhất trong vũ trụ được biết đến diễn ra trong một thứ hỗn độn của tia laser. Sự xuất hiện lừa dối: Sâu bên trong sự hỗn loạn có tổ chức khó khăn đó, ở nhiệt độ lạnh hơn hàng triệu lần so với không gian giữa các vì sao, Kang-Kuen Ni đã đạt được một kỳ tích chính xác. Buộc hai phân tử cực đoan gặp nhau và phản ứng, cô đã phá vỡ và hình thành các liên kết lạnh nhất trong lịch sử các khớp nối phân tử.

Ming-Guang Hu, một học giả sau tiến sĩ trong phòng thí nghiệm Ni và là tác giả đầu tiên trên bài báo của họ đăng trên Science hôm nay chia sẻ: “Có lẽ trong vài năm tới, chúng tôi là phòng thí nghiệm duy nhất có thể làm điều này”. 

Năm năm trước, Ni, Phó Giáo sư Hóa học và Sinh học Hóa học của Morris Kahn và là người tiên phong về hóa học cực đoan đã bắt đầu xây dựng một thiết bị mới có thể đạt được các phản ứng hóa học ở nhiệt độ thấp nhất của bất kỳ công nghệ hiện có nào. Nhưng họ không thể chắc chắn rằng kỹ thuật phức tạp của họ sẽ hoạt động.

Bây giờ, họ không chỉ thực hiện phản ứng lạnh nhất mà còn phát hiện ra bộ máy mới của họ có thể làm điều gì đó ngay cả khi họ không dự đoán. Trong cái lạnh dữ dội như vậy – 500 nanokelvin hoặc chỉ vài phần triệu độ trên độ không tuyệt đối – các phân tử của chúng chậm lại với tốc độ băng hà như vậy, Ni và nhóm của cô có thể thấy một thứ mà không ai có thể nhìn thấy trước đó: khoảnh khắc khi hai phân tử gặp nhau để tạo thành hai phân tử mới. Về bản chất, họ đã bắt được một phản ứng hóa học trong hành động quan trọng và khó nắm bắt nhất của nó.

Phản ứng hóa học chịu trách nhiệm cho tất cả mọi thứ theo nghĩa đen: thở, nấu ăn, tiêu hóa, tạo năng lượng, dược phẩm và các sản phẩm gia dụng như xà phòng. Vì vậy, hiểu cách chúng làm việc ở mức cơ bản có thể giúp các nhà nghiên cứu thiết kế các tổ hợp mà thế giới chưa từng thấy. Với số lượng kết hợp mới gần như vô hạn, các phân tử mới này có thể có các ứng dụng vô tận từ sản xuất năng lượng hiệu quả hơn đến các vật liệu mới như tường chống nấm mốc và thậm chí là các khối xây dựng tốt hơn cho máy tính lượng tử.

Trong tác phẩm trước đây của mình, Ni đã sử dụng nhiệt độ lạnh hơn và lạnh hơn để thực hiện phép thuật hóa học này: rèn các phân tử từ các nguyên tử sẽ không bao giờ phản ứng. Làm mát đến mức cực đoan như vậy, các nguyên tử và phân tử chậm lại khi bò lượng tử, trạng thái năng lượng thấp nhất có thể của chúng. Ở đó, Ni có thể điều khiển các tương tác phân tử với độ chính xác tối đa. Nhưng ngay cả cô cũng chỉ có thể thấy sự khởi đầu của phản ứng của mình: hai phân tử đi vào, nhưng sau đó thì sao? Điều xảy ra ở giữa và cuối cùng là một lỗ đen chỉ các lý thuyết có thể cố gắng giải thích.

Phản ứng hóa học xảy ra chỉ trong một phần triệu của một phần tỷ giây được biết đến nhiều hơn trong thế giới khoa học là femtoseconds. Ngay cả công nghệ tinh vi nhất ngày nay cũng không thể nắm bắt được thứ gì đó quá ngắn ngủi, mặc dù một số đã đến gần. Trong hai mươi năm qua, các nhà khoa học đã sử dụng tia laser cực nhanh như máy ảnh hành động nhanh, chụp nhanh những hình ảnh phản ứng nhanh khi chúng xảy ra. Nhưng họ không thể chụp toàn bộ bức tranh. Hầu hết thời gian bạn chỉ thấy rằng các chất phản ứng biến mất và các sản phẩm xuất hiện trong thời gian mà bạn có thể đo được. Không có phép đo trực tiếp về những gì thực sự xảy ra trong các phản ứng hóa học này cho đến tận bây giờ.

Nhiệt độ cực hạn của Ni buộc các phản ứng với tốc độ tương đối tê liệt. Bởi vì [các phân tử] rất lạnh. Bây giờ nhóm thí nghiệm có một hiệu ứng thắt cổ chai. Khi cô và nhóm của mình phản ứng với hai phân tử kali rubidium – được chọn vì tính dễ uốn của chúng – nhiệt độ cực nhanh buộc các phân tử phải nán lại trong giai đoạn trung gian trong vài giây. Microseconds – chỉ là một phần triệu giây – có vẻ ngắn, nhưng nó dài hơn hàng triệu lần so với bình thường và đủ lâu để Ni và nhóm của cô điều tra pha khi liên kết bị phá vỡ và hình thành một phân tử biến thành một phân tử khác.

Với tầm nhìn sâu sắc này, Ni cho biết cô và nhóm của mình có thể kiểm tra các lý thuyết dự đoán những gì xảy ra trong lỗ đen của phản ứng để xác nhận xem họ có làm đúng hay không. Sau đó, nhóm của cô có thể tạo ra các lý thuyết mới, sử dụng dữ liệu thực tế để dự đoán chính xác hơn những gì xảy ra trong các phản ứng hóa học khác, ngay cả những lý thuyết diễn ra trong cõi lượng tử bí ẩn.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang khám phá những gì khác mà họ có thể học được trên giường thử nghiệm cực nhanh của mình. Tiếp theo, ví dụ, họ có thể thao túng các chất phản ứng, kích thích chúng trước khi chúng phản ứng để xem năng lượng tăng cao của chúng tác động đến kết quả như thế nào. Hoặc, họ thậm chí có thể ảnh hưởng đến phản ứng khi nó xảy ra, làm ảnh hưởng đến phân tử này hay phân tử khác. “Với khả năng kiểm soát của chúng tôi, cửa sổ thời gian này đủ dài, chúng tôi có thể thăm dò”, Hu nói. “Bây giờ, với bộ máy này, chúng ta có thể nghĩ về điều này. Không có kỹ thuật này, không có bài báo này, chúng ta thậm chí không thể nghĩ về điều này.”


Nguồn truyện:

Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Harvard . Bản gốc được viết bởi Caitlin McDermott-Murphy. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.


Tạp chí tham khảo :

  1. M.-G. Hu, Y. Liu, DD Grimes, Y.-W. Lin, AH Gheorghe, R. Vexiau, N. Bouloufa-Maafa, O. Dulieu, T. Rosenband, K.-K. Ni. Quan sát trực tiếp các phản ứng lưỡng phân của các phân tử KRb cực trị . Khoa học , 2019; 366 (6469): 1111 DOI: 10.1126 / khoa học.aay9531

Bài viết liên quan

Bài viết khác