哈佛團隊將分子冷卻至逼近絕對溫度,首對中間態精確成像

哈佛團隊將分子冷卻至逼近絕對溫度,首對中間態精確成像
當我們深入原子尺度,化學反應發生的速度比想像中要快上許多,這導致我們很難看清過程究竟發生什麼。哈佛大學科學家們首度嘗試將分子冷卻到接近絕對零度的溫度,比外太空還要冷,終於確切捕捉到 2 個分子相遇瞬間的景象。

從呼吸、消化、到產生能量的生物機能,或是藥品、肥皂等日常生活用品,核心都跟分子化學反應息息相關,因此理解化學反應的基本運作機制,可以幫助科學家設計出世界上從未見過的新化學組合,不同的分子組合能帶來無盡新應用,比如更高效率的能源生產、新材料(如防黴牆)、量子電腦的結構單元等。

然而當科學家想深入原子尺度分析時,卻發現化學反應速度太快,僅發生在皮秒之間,電光石火間就錯過分子的相互作用。該如何放慢分子的運動速度進行觀察?科學家說,可以嘗試將分子冷卻到逼近絕對零度的低溫,此時分子處於最低能量狀態,放大檢視就像在龜速爬行,而如果真的到達絕對零度,此時分子基本上靜止不動。

但要冷卻到接近絕對零度不是說說就能辦到的事,雖然科學家已成功使用氣態銣原子在 170 nK(1.7×10 -7 K)低溫下(比外太空宇宙背景輻射溫度約 3K 還要低),實現物理學中的玻色-愛因斯坦凝態,但受限於地球重力拉扯,這些狀態轉瞬即逝,無法進一步詳細觀察,可知極限冷卻是非常困難的技術。

於是 NASA 選擇將冷原子實驗室移到國際太空站,在那裡,玻色–愛因斯坦凝態能維持 5~10 秒,並且每天實驗可達 6 小時。

化學反應是趁著化學鍵斷裂時的中間態將反應物轉化為產物,然而中間態非常短暫,過去即使使用最精密的設備,也只能觀察到原始分子的消失以及新分子的出現,中間態完全無法深入觀察。

而最近哈佛大學研究團隊,利用一種裝置將實驗環境溫度冷卻至 500 nK(500*10 -9 K),接著觀察鉀和銣原子組成的氣體分子碰撞時,所發生的化學反應及產生的新分子,雖然沒有超越冷原子實驗室的 100 nK 低溫,但已能讓科學家看見以前從未見過的分子行為。

在低溫下,鉀分子碰撞後的中間態維持時間從皮秒延長至微秒,雖然還是很短,但已經比平時延長數百萬倍,團隊得以首次對中間態成像,觀察到舊鍵斷裂及新鍵形成,如此一來便能檢驗有關中間態的理論,也可以建立新理論來更精確預測其他化學反應。

接下來,團隊希望從操縱反應物下手,分析是否會因此影響反應的進行。新論文發表在《科學》(Science)期刊。

DEPARTMENT OF CHEMISTRY AND CHEMICAL BIOLOGY
Coldest-ever chemical reaction reveals molecules in ultra slow motion

(首圖來源:哈佛大學)
  • 新聞關鍵字: NASA
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