Buzz
Màn trình diễn chính của thí nghiệm của Kang-Kuen Ni có thể nằm trên đầu của một chiếc kim và diễn ra trong một phần nhỏ của một giây. Nhà hóa học Harvard này lấy hai nguyên tử riêng lẻ, một natri và một xesi, mỗi nguyên tử khoảng 10.000 lần nhỏ hơn một vi khuẩn. Sau đó, cô ta kỹ lưỡng đưa chúng lại gần nhau để trở thành một phân tử duy nhất: natri xesi.
Đây là một sự kết hợp không thường. Trong câu chuyện tình com học của tự nhiên, natri hiếm khi chọn xesi; cả hai nguyên tử thường trở thành ion mang điện tích dương thực sự đẩy lùi lẫn nhau. Nhưng sau nhiều năm nghiên cứu, đội ngũ của Ni đã tìm ra cách 'bắt cặp' này: đặt hai nguyên tử vào một buồng chân không với ít nguyên tử khác càng tốt, và dùng laser để hướng dẫn chúng vào sự gần gũi bắt buộc. Họ công bố kết quả này trong tạp chí Khoa học vào đầu tháng trước.
Với điều đó, những người môi giới này có một cách mới để nghiên cứu một trong những quá trình cơ bản nhất trên Trái Đất: quá trình hình thành liên kết hóa học. Đó là mối quan hệ nguyên tử quyết định xem một hỗn hợp các nguyên tử carbon, hydro và oxy có phải là đường, cồn hay formaldehyde. “Tạo ra một liên kết hóa học duy nhất là một trong những phản ứng hóa học cơ bản nhất có,” như nhà vật lý Daniel Slaughter của Lawrence Berkeley National Laboratory nói, người không liên quan đến công việc này. “Một cách, họ đã tạo ra loại phản ứng hóa học tinh khiết nhất.”
Đã mất nhiều năm cho Ni và đội ngũ của cô để thực hiện điều này - vì một phản ứng giữa chỉ hai nguyên tử không phải là một thí nghiệm hóa học thông thường. Thông thường, những nhà hóa học tạo ra các phân tử mới bằng cách trộn và đun nóng bột và dung dịch ở nồng độ và thứ tự cụ thể, tin rằng 1023 nguyên tử sẽ kết hợp thông qua va chạm ngẫu nhiên. Họ có thể kỹ thuật hóa phản ứng để làm cho va chạm giữa một số nguyên tử cụ thể trở nên khả năng hơn, nhưng họ không lặp lại từng tạo từng liên kết một cách công phu.
Nhưng đội ngũ của Ni không cố gắng tạo ra một lô hóa chất lớn. Họ muốn chứng minh rằng họ có thể thiết lập một cuộc hẹn cụ thể - giữa hai nguyên tử đơn.
Để hình dung về một liên kết hóa học, hãy tưởng tượng một nguyên tử như một hạt nhân nhỏ chìm trong một đám mây phân tán lớn chính là các electron của nó. (Chúng không phải là mô hình đồ chơi Tinker mà bạn chơi trong lớp hóa học.) Khi hai nguyên tử đưa lại gần nhau, mỗi đám mây electron của mỗi nguyên tử đẩy đám mây của nguyên tử kia xung quanh, và đôi khi hai nguyên tử bắt đầu hành xử như một thể: một phân tử.
Nhưng các chuyên gia vẫn không thể mô tả quá trình này chi tiết: nó trông như thế nào, chậm chạp, khi một nguyên tử tiến gần một nguyên tử khác cho đến khi hai nguyên tử trở thành một. “Một trong những giấc mơ chúng tôi có trong vật lý phân tử và hóa học là thực sự hình ảnh về các liên kết, để thực sự hiểu rõ liên kết là gì,” Slaughter nói. Trong nghiên cứu của mình, Slaughter thực sự thực hiện thí nghiệm của Ni ngược lại: Anh ta phá vỡ phân tử. “Tôi bắt đầu với một phân tử nhỏ và nổ nó bằng một chiếc laser, và sau đó tôi nhìn vào những mảnh vụn,” anh ta nói. Những điều tra vụ nổ mang lại cho anh ta thông tin về liên kết.
Để tạo ra một phân tử duy nhất, nhóm của Ni xây dựng một thiết bị độc đáo: một máy gồm các bộ laser và ống kính, một buồng chân không, cảm biến và cuộn dây. Điều này đòi hỏi nhiều bài kiểm tra. Trước khi họ có thể tạo ra một phân tử, họ phải tìm ra cách di chuyển từng nguyên tử. Và trước khi họ có thể di chuyển từng nguyên tử, họ phải tìm ra cách nắm bắt chúng.
“Nắm bắt một nguyên tử đơn không giống như nắm bắt một đối tượng siêu vi,” Ni nói. Họ bắt đầu với một số lọ nhỏ mỗi lọ chứa natri và xesi ở dạng rắn, đặt trong một buồng nhỏ dưới chân không cao. Họ nung lọ, biến natri và xesi thành hơi. Sau đó, họ sử dụng bộ laser tập trung chặt để di chuyển từng nguyên tử trong hơi. Theo cách này, photon từ laser tấn công vào nguyên tử, nhấn nhá chúng theo hướng cụ thể cho đến khi chúng bị hạn chế trong các khu vực cụ thể bên trong buồng được thiết kế để giữ chỉ một nguyên tử. Sau khi họ đã cô lập một nguyên tử natri và một nguyên tử xesi, họ sau đó di chuyển chúng gần nhau. Họ cũng sử dụng một bộ laser để cung cấp thêm năng lượng cho natri và xesi để tạo ra liên kết. Để có mọi thứ hoạt động theo chuỗi, họ tự động hóa nó trên máy tính. “Có quá nhiều chi tiết nhỏ mà tất cả đều phải được chỉnh sửa đúng cách,” Ni nói.
Máy của Ni được thiết kế đặc biệt để tạo ra natri xesi, một phần vì hai nguyên tử này tương đối đơn giản, mỗi nguyên tử chỉ có một electron tự do để tham gia vào phản ứng hóa học. Các nhà nghiên cứu trong quá khứ cũng đã nghiên cứu nhiều về những nguyên tử này - vì vậy nhóm của Ni có thể sử dụng laser được phát triển để điều khiển các nguyên tử.
Nhưng các kỹ thuật của Ni có thể được điều chỉnh để tạo ra các phân tử khác với những nguyên tử phức tạp hơn. Slaughter, ví dụ, nghĩ rằng ai đó có thể sử dụng nó để tạo ra các phân tử của khí carbon dioxide hoặc nitơ. Ngay cả khi những phân tử này dễ dàng hình thành trong thực tế, các nguyên tử cá nhân của chúng phức tạp hơn nhiều so với natri và xesi.
Tuy nhiên, hiện tại, Ni vẫn đang tập trung vào natri xesi - vì cô nghĩ rằng nó có thể hữu ích trong công nghệ tương lai. “Những phân tử này đã có những đặc tính tốt chúng tôi muốn đẩy mạnh,” cô nói. Việc điều chỉnh phân tử natri xesi vào một cấu hình cụ thể và giữ cho nó ổn định trong một khoảng thời gian khá dễ dàng. Nếu phân tử này hóa ra là một hạt tử lượng lượng vâng, nó có thể tiềm năng hữu ích như một thành phần cho một máy tính lượng tử - cảnh báo từ khoá - natri xesi: Hóa học là không thể phủ nhận.
Chuyển Động Phân Tử
Cách các công ty tạo ra chiết xuất từ cây gai dầu
Một phát hiện có thể dẫn đến các opioid ít gây nghiện hơn
Một robot mềm có thể tự làm lành bằng nhiệt độ
