Kimyasal reaksiyonu 1 milyon kez yavaşlattıktan sonra ne göreceksiniz?
Araştırmacılar, evrendeki en soğuk kimyasal reaksiyonu 500 nanoKelvin sıcaklıkta elde ettiler ve ayrıca beklenmedik bir sürprizle karşılaştılar - kimyasal reaksiyonun ara maddesi ilk kez gözlemlendiğinde.
(Kaynak: harvard kimyası)
Yazar | Liao Hongyan
Editör | Li Yan
Narin bir gül, birkaç şişman balon, bir streç elastik lastik bant, onları sıvı nitrojenle dolu bir kaba koyun, ne olacak?
Popüler bilim dersinde fizikçi William Phillips (William Phillips, 199 7 yıllık Nobel Fizik Ödülü sahibi) bu deneyi izleyicilere göstermeyi seviyor. Deney karmaşık değil.Birkaç saniye sonra esnek kauçuğun ölü bir dal haline geldiğini ve bir elle iki parçaya ayrıldığını; bir dakika sonra gül yapraklarının nazikçe kırılgan cam gibi olduğunu görebilirsiniz. Bir bomba tortuya dönüştü, 5 dakika sonra, şişman balon donarak "inceltildi", düz ve sert "büyük pasta" parçalarına dönüştü.
Phillips, atomları lazerle soğutmak ve yakalamak için bir yöntem geliştirdi ve diğer iki bilim insanıyla birlikte 199 7 yıldır Nobel Fizik Ödülü. Deneylerinin amacı, izleyiciye son derece düşük sıcaklıklarda maddenin özelliklerinin normalden tamamen farklı olacağını canlı bir şekilde göstermektir. Phillips'in derste kullandığı sıvı nitrojen yaklaşık -200 'ye kadar soğuyabiliyor ve dahil olduğu araştırma, yani atomları yakalarken ulaşılması gereken sıcaklık bundan çok daha düşük, mutlak sıfırın sadece -2 derece üzerinde. 73 (teorik alt sıcaklık sınırı) 0,001 Kelvin'den azdır.
Not: Mutlak sıcaklık ölçeğinin birimi, Kai (K) olarak kısaltılan Kelvin'dir.
Ultra soğuk kimya
Etrafımızı saran hava aslında sakin değil. Bir atoma dönüşürseniz, havanın kaotik bir otoyol gazına benzediğini ve moleküllerin saniyede yüzlerce metre (bir jet uçağı kadar hızlı) hızla hareket ettiğini ve birbirleriyle sürekli etkileşime girdiğini göreceksiniz. çarpışma. Bu, oda sıcaklığında gaz halindeki atomların normal durumudur. Ancak sıcaklık miliKelvin (10-3 K) mertebesine düşürülürse, gaz halindeki atomların ve moleküllerin hareket hızı çok daha yavaş olacaktır, sadece saniyede onlarca santimetre olacaktır. Şu anda, tek tek atomların manipülasyonu ve kontrolü gerçek olabilir.
Sıcaklık düşmeye devam ederse ve ultra soğuk bir duruma, yani mikro-açık (10-6 K) veya hatta nano-kai (10-9 K) durumuna ulaşırsa, gaz halindeki atomların ve moleküllerin hareketi yavaşlayacaktır. Ultra-soğuk kimya olarak da adlandırılan ultra soğuk hallerdeki moleküllerin kimyasal özelliklerini inceleme bilimi, kimya biliminin en yeni ve en havalı dalıdır. Madde, bu kadar düşük bir sıcaklıkta daha tuhaf özellikler gösterecektir.
2019'un sonunda Science dergisi, Harvard Üniversitesi Biyoloji ve Biyokimya Bölümü ve Fizik Bölümü'nde Doçent ve Harvard-MIT Ultracold Atomlar Merkezi'nde (Harvard-MIT Ultracold Atomlar Merkezi) bir araştırmacı yayınladı. Kang-kuen Ni (transliterasyon) ve meslektaşları tarafından ultra soğuk kimya alanında yeni bir gelişme. Araştırmacılar, evrendeki en soğuk kimyasal reaksiyonu 500 nanoKelvin sıcaklıkta elde ettiler ve ayrıca beklenmedik bir sürprizle karşılaştılar - kimyasal reaksiyonun ara maddesi ilk kez gözlemlendiğinde.
Gizemli "orta seviye"
Ni Kangkunun ultra soğuk kimya laboratuvarına geldiğinizde şaşırabilirsiniz. Kimyasal reaktifler için şişe ve kavanoz yok, sıvı nitrojen ve sıvı helyum gibi soğutucu yok. Aksine masa lazerlerle dolu, Lensler, yoğun şekilde paketlenmiş kablolar, vakum odaları ve test cihazlarından oluşan optik aletler daha çok bir optik laboratuvara benziyor.
Ni Kangkun ve meslektaşları tarafından 5 yılı aşkın bir süredir inşa edilen ultra soğuk kimya laboratuvarı, evrendeki en soğuk kimyasal reaksiyonları gerçekleştirebiliyor. (Kredi: Kris Snibbe / Harvard Personel Fotoğrafçısı, kaynak: harvard.edu)
Ni Kangkun 2013 yılında Harvard Üniversitesi'ne geldi. Kendisi ve ekibi, evrendeki en soğuk kimyasal reaksiyonu gerçekleştirebilen bu ekipmanı yapmak için 5 yıl harcadı. 2018'de Ni Kangkun, dünyadaki en hassas kimyasal reaksiyonu gerçekleştirerek NaC molekülleri elde etmek için tek bir sodyum (Na) atomu ve bir sezyum (Cs) atomunu manipüle eden bir ekibi yönetti. Şimdi, Ni Kangkun ve meslektaşları bir adım daha atarak iki potasyum rubidyum (KRb) molekülünün 500 nanoKelvin gibi düşük bir sıcaklıkta buluşmasını ve kimyasal reaksiyona neden olmasını sağladı.
"Reaksiyonun gerçekleştiğini ve reaktanların ürüne dönüştüğünü doğrulamak için reaksiyon ürünleri arıyoruz, ancak şaşırtıcı bir şekilde aslında ara ürünleri gördük." Ni Kangkun, "Meslektaşları da çok heyecanlı. Yeni araştırma herkes için. Yeni olanaklar sağlıyor ve diğer bilim adamları bundan sonra ne yapacağımızı gerçekten görmek istiyorlar. "
Genel olarak konuşursak, bir kimyasal reaksiyonun oluşma süresi çok kısadır, genellikle pikosaniye cinsinden ölçülür (10-12 saniye) Reaksiyon sırasında üretilen ara maddelerin uçup gittiği söylenebilir ve bunları yakalamanın neredeyse hiçbir yolu yoktur. Ni Kangkun ve ekibi, reaksiyon süresini 1 milyon kat artırarak mikrosaniye (10-6 saniye) seviyesine çıkaran düşük sıcaklıkta 500 nanoKelvin yarattı.Bu süre çok kısa gibi görünse de, araştırmacılar fotoiyonizasyonu (fotoiyonizasyon) zaten kullanabiliyor. ) Algılama ekipmanı, doğrudan ara ürünün varlığını gözlemler.
Araştırmacılar, kimyasal reaksiyonu 1 milyon kez yavaşlattıktan sonra kimyasal reaksiyonun ara maddelerini ilk kez gözlemlediler. (Kredi: Ming-Guang Hu, kaynak: chemistry.harvard.edu)
Çalışmanın ilk yazarı ve Ni Kangkunun laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Ming-Guang Hu (transliterasyon), bunun ultra soğuk kimyasal reaksiyonların kuantum kontrolüne doğru bir adım daha attığımız anlamına geldiğini söyledi.
Ni Kangkun ve meslektaşlarının bugünkü başarısı, birkaç nesil bilim adamının ortak çabalarının sonucudur.180'lerde atomik soğutma teknolojisinin icadından ultra soğuk atom ve moleküllerin hazırlanmasına kadar, ultra soğuk kimyasal reaksiyonların gerçekleştirilmesi için sağlam bir temel attılar. Yapı temeli.
Lazer soğutma
Daha 1917'de Einstein, bir atomun fotonları soğurup yaymasının ardından momentumunun değiştiğini kanıtladı. Hareket eden atom, yaklaşan lazer tarafından ışınlanır.Lazerin frekansı atomun doğal frekansı ile eşleştiği sürece elektronların çekirdek dışına geçişine neden olur.Aynı zamanda bu işlem aynı fotonu yayar, ancak yayılan foton Her yönden. Bu nedenle, bir atom bir fotonla çarpıştığı her seferinde, momentum biraz, en düşük değere düşecektir.
Bu çizgi film, lazerle soğutma ve atomları yakalama prensibini canlı bir şekilde anlatıyor. (Kaynak: nobelprize.org)
Bilim adamları bu prensibi atomları soğutmak için kullanırlar. Sözde lazer soğutma aslında lazerin etkisi altındaki atomları yavaşlatmaktır. 1980'lerde, o sırada Bell Laboratuarlarında çalışan bir fizikçi olan Steven Chu, atomları ilk kez "kuşatmak ve bastırmak" için üç dikey yönde altı lazer ışını kullandı, böylece atomlar hangi yöne hareket ederse etsin, karşılaşacaklar. Fotona ve lazer ışınının kesişme noktasına geri itilir, böylece daha düşük bir sıcaklığa ulaşılır. Daha sonra, "donmuş" atomların yerçekimi etkisi altında batmasını önlemek için, bazı bilim adamları, 6 lazer ışını ve atomları "yakalamak" için bir manyetik alan kullanan bir manyeto-optik tuzak (manyeto-optik tuzak) teknolojisi geliştirdiler. Küçük bir alanda.
Lazer soğutma ve atomik yakalama teknolojisinin ortaya çıkışı, moleküler ve atomik fizik için önemli bir çığır açmıştır.Bilim adamları nihayet laboratuvarda tek tek atomları işleyip inceleyebilirler. Önümüzdeki birkaç yıl içinde, dünya çapında aşırı soğuk bilimsel araştırmalarda artış yaşandı.Bilim adamları, milliKelvin'den mikro ve hatta nano kelvin'e kadar lazer soğutma sıcaklığının alt sınırını yenilemeye devam ettiler.
199 7 yılda, lazer soğutma ve atomik yakalama teknolojisinin gelişmesi nedeniyle makalenin başında yer alan Phillips, Zhu Diwen ve Fransız fizikçi Claude Cohen-Tannoudji ile birlikte Nobel Ödülü'nü kazandı. Fizik Ödülü.
Makroskopik kuantum nesnesi
Sıcaklık nano-açık kadar düşük olduğunda, atomun hızı saniyede yalnızca birkaç milimetreye düşecektir. Salyangozlar Aynı yavaş) ve çok garip bir yan kuantum durumu sunar. Bilim adamları atomların ve moleküllerin bu zamandaki hareket durumuna canlı bir şekilde "kuantum sürünmesi" diyorlar.
1924'te Fransız fizikçi Louis de Broglie, doğadaki tüm parçacıkların dalga-parçacık ikililiğine (yani, hem dalgaların hem de parçacıkların özelliklerine sahip olduklarını), yani kuantum özelliklerine sahip olduklarını öne sürdü. Bununla birlikte, maddenin dalga boyu momentumla ters orantılı olduğundan, daha büyük kütleye ve daha yüksek sıcaklığa sahip parçacıkların madde dalgasının (madde dalgası) dalga boyu çok küçüktür, gözlemlenebilir sınırı aşmak için çok küçüktür. Bu nedenle, daha küçük kütleli elektronlar oda sıcaklığında kuantum halini alabilir, ancak on binlerce kat daha ağır olan atomların kuantum halini alabilmeleri için nanok seviyesine soğutulması gerekir.
199 5 yıl içinde, Boulder'daki Colorado Üniversitesi ile iki fizikçi olan Amerikan Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü - Ortak Laboratuvar Astrofiziği Enstitüsü (JILA) arasında işbirliği ile kurulan araştırma kurumu - Eric Cornell ve Carl Wieman yaklaşık 2000 gazlı rubidyum atomunu soğutarak 170 Nakai ve Bose-Einstein kondensatı (BEC) adı verilen makroskopik bir kuantum hali maddesini ilk kez elde etti. Bu, gaz, sıvı, katı ve plazmaya ait olmayan tamamen yeni bir madde biçimidir, bu nedenle maddenin beşinci hali olarak da adlandırılır.
199 Eric Cornell ve Karl Wiman, 5 yıl içinde Bose-Einstein yoğunlaşması adı verilen makroskopik kuantum durum maddesini ilk kez elde ettiler. (Kredi: Ken Abbott / Colorado Üniversitesi, Boulder, kaynak: nist.gov)
Wiman daha sonra, "Maddenin kuantum halini insan makroskopik dünyasına getirdik. Onu dürtebilir, delebilir ve eşi benzeri görülmemiş bir şekilde görüntüleyebilirsiniz." Dedi. Bose-Ein'i de canlı bir şekilde tanıttı. Stan yoğunlaşması, tüm atomları bir "süper atom" olarak birleştirmeye eşdeğerdir, bu "süper atom" bir mikroskop altında gözlemlenebilecek kadar büyüktür ve benzersiz kuantum özelliklerine sahiptir.
2001'de Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Cornell, Wiman ve Wolfgang Ketterle (aynı dönemde Bose-Einstein yoğunlaşmasını bağımsız olarak elde eden başka bir bilim adamı olan Wolfgang Ketterle) Nobel Fizik Ödülü'nü paylaştı. .
Aşırı soğuk atomlardan aşırı soğuk moleküllere
Ni Kangkun, doktora kariyerini Wiman'ın araştırma grubuna katıldığı Boulder'daki Colorado Üniversitesi'nde geçirdi. Wiman'ın rehberliğine ek olarak, doktora tezinin iki danışmanı olan Deborah Jin (Yarı Çin kökenli, Jin Xiulan adlı Çinli) ve Ye Ordu aynı zamanda aşırı soğuk alanda "büyük bir inek" dir.
2003 yılında, Deborah King, ekibi yeni bir madde durumu - ultra soğuk fermiyonik kondensat yaratmaya yönlendirdi. Ancak Deborah King burada durmadı ve aşırı soğuk polar moleküler gazın atomik gazdan daha değerli olacağına inanıyor.
"Daha geniş bir davranış aralığı için bir kuantum modeli oluşturmak için, sadece atomlara değil, aynı zamanda moleküllere de ihtiyacınız var. Moleküller arasındaki etkileşimler daha ilginç," dedi Deborah King. "Aşırı soğuk atomik gazlarda, atomlar yalnızca birbirleriyle temas halindedir. Tıpkı iki topun çarpıştıktan sonra birbirlerinden sekmesi gibidir. Ancak aşırı soğuk polar moleküllerde durum böyle değildir. Çok soğuk polar moleküller, aralarında belirli bir mesafe olsalar bile, bir uçta oldukları için birbirlerini hissedebilirler. Diğer ucunda bir pozitif yük ve bir negatif yük ile, iki mıknatıs gibi uzun bir mesafeden birbirleriyle etkileşime girebilir. "
2008 yılında, Deborah King'in laboratuvarı ve Ye Jun'un laboratuvarı, 350 nanoKelvin sıcaklıkta ilk kez kuantum sınırında ultra soğuk polar KRb molekülünü yaratmak için işbirliği yaptı. Ni Kangkunun doktora tezi, bu araştırmaya katılırken yaptığı işi anlatıyor. Bu araştırma çığır açan bir öneme sahiptir ve ultra düşük enerjili kimyasal reaksiyonlar, kuantum faz geçişleri ve kuantum bilgi bilimi için yeni araştırma yönleri açar.
2008'de Deborah Kingin ekibi, kuantum sınırında ultra soğuk polar moleküller yaratmak için Ye Junun ekibiyle çalıştı. (Kaynak: blog.adafruit .com )
Ne yazık ki Deborah King 2005 yılında Ulusal Bilimler Akademisi üyeliğine seçilmesine ve o dönemde Ulusal Bilimler Akademisi'nin en genç üyesi olmasına rağmen, 2016 yılında 47 yaşında kanser nedeniyle dünyayı terk etti. Pek çok insan ölmezse muhtemelen o yıl Nobel Fizik Ödülü'nü kazanacağını düşünüyor.
Kuantum Kontrolü: Kimyanın Kutsal Kasesi
Kimyasal fizikçilerin nihai hayali, kimyasal sentezin kuantum kontrolü olabilir. Bir molekülünüz olduğunu ve onun kuantum durumunu kontrol edebildiğinizi hayal edin, molekülün herhangi bir konumunda kimyasal bağları kırmak ve istediğiniz atomlara bağlanmak için Lego modellerini monte etmek gibi özel yapım lazer darbeleri kullanabilirsiniz. Veya grup.
Not: Kimyasal fizik, fiziksel ve kimyasal olayları incelemek için esas olarak atomik ve moleküler fizik ve yoğun madde fiziği tekniklerini kullanan bir fizik dalıdır.
Kuantum halde ultra soğuk polar moleküler yoğunlaşmalar yapmak, bu hayali gerçekleştirmenin ilk adımıdır.
Bilim adamları, aşırı soğuk atomları hazırlarken alkali metal elementlerin çoğunu kullanırlar, bunlar hidrojen atomları gibidirler. En dış katmanda sadece bir elektronları vardır.Elektronik enerji seviyesi sistemi nispeten basittir, bu da soğutma ve yakalama için uygundur. Ancak moleküller dönebilir ve titreşebilir ve genellikle karmaşık bir elektronik enerji seviyesi sistemine sahiptir.Enerji durumu çok daha karmaşıktır, bu nedenle molekülleri doğrudan soğutmak çok zordur.
Deborah King, Ye Jun ve Ni Kangkun "molekülleri doğrudan aşırı soğuk duruma soğutmanın" sert kemiğini yemediler, ancak daha basit ve daha kolay bir yöntem uyguladılar, önce atomları çok düşük bir sıcaklığa soğutdular ve sonra Atomlar, aşırı soğuk moleküller oluşturmak için birbirine "yapışır". Bu alanda çok ilerleme kaydedildi, ancak bilim adamları için ultra soğuk moleküler gazların tam kuantum durum kontrolünü başarmak, yakın gelecekte gerçekleştirilemeyecek bir hayal olabilir.
Aşırı soğuk atomların ve moleküllerin "süper soğuk" uygulama olasılığı, araştırmacıların ilerlemesi için bir itici güçtür. Örneğin, mevcut atomik saatlerden daha doğru bir saat oluşturmak için ultra soğuk atomların ve moleküllerin daha yavaş hareketinden yararlanabiliriz; ultra soğuk atomların ve moleküllerin çevreye karşı çok hassas olduğu gerçeğini kullanarak yerçekimi ve manyetik gradyometreleri ölçmek için kullanabiliriz. Hatta navigasyon için kullanılıyor. Ek olarak, ultra soğuk atomlar ve moleküller kuantum özelliklerine sahiptir ve kuantum bilgisayarları oluşturmak için kuantum hesaplamanın en küçük depolama birimi olarak hizmet etmeleri beklenmektedir.
Vakum odasında, NaK molekülleri, gelecekteki kuantum bilgisayarları oluşturmak için yeni bir kübit türü olarak kullanılması beklenen yalnızca birkaç yüz nanoKelvin'e soğutulabilir. (Kredi: Massachusetts Institute of Technology, kaynak: phys.org)
Bu özel uygulamalara ek olarak, ultra-soğuk gazlar, Çok-vücut kuantum fiziğini incelemek için kuantum model sistemleri oluşturmak için temel fizik araştırma araçları olarak da kullanılabilir (Çok-vücut kuantum fiziği, çok sayıda etkileşimi inceleyen bir fizik dalı) Parçacıkların toplu kuantum davranışı). Ultra-soğuk gazla inşa edilen modelde, bilim adamları sadece kimyasal reaksiyonların kuantum kontrolünü değil, aynı zamanda elektronların kuantum davranışına dayanan herhangi bir karmaşık fiziksel sistemi de inceleyebilirler.İlgili alanlar arasında yoğunlaştırılmış madde fiziği, nükleer fizik, plazma fiziği ve parçacık fiziği yer almaktadır. Hatta astrofizik.
Ni Kangkun ve meslektaşları şu anda ultra soğuk kuantum kimyası ve ultra soğuk moleküllerden oluşan yeni bir dünya çizmek için çalışıyorlar. Son araştırmaları, bu aşırı düşük sıcaklık dünyasında, en basit kimyasal reaksiyonun bile bize beklenmedik sürprizler getireceğini gösteriyor. Gelecekte, aşırı soğuk gaz reaksiyonunun kuantum kontrolü başarılabilirse, bilişimizi altüst edecek ve mevcut teorilerle tanımlanamayacak birçok fenomen ortaya çıkacak. O zaman, bu tesadüfi yeni keşifleri öngöremeyebiliriz, ancak bu kazara ortaya çıktıklarında bilim adamlarının bunları tanıyabileceğini umuyoruz.
Referans
Liu, LR, Hood, JD, Yu, Y., Zhang, JT, Hutzler, NR, Rosenband, T. ve Ni, KK (2018). İki atomlu bir rezervuardan bir molekül oluşturma. Science, 360 (6391) 900-903.
https://chemistry.harvard.edu/news/coldest-reaction
https: // www .nsf.gov / discoveries / disc_summ.jsp? cntn_id = 112558
https: // www .nobelprize.org / ödüller / fizik / 199 7 /
https: // www .nobelprize.org / ödüller / fizik / 2001 /
Kaynak: Bay Sai
Editör: Tim
