Физики сняли кино про распад молекул

Увидеть всё с помощью микромегаскопа
24.10.2018
Иван Сапрыкин

Только богачи в не столь уж и отдаленные времена могли себе позволить драгоценные и полудрагоценные камни, используемые вместо луп для удобства чтения и разглядывания мелких деталей. Затем были созданы стеклянные лупы, с помощью которых Галилео Галилей увидел кратеры на Луне, а Антони ван Левенгук - "зверушек"-анималькулей в воде. Роберт Гук, утверждавший в противовес самому Ньютону, что свет имеет волновую природу, создал первый микроскоп, разнеся лупы объектива и окуляра. Но только через полтора века после него развитие артиллерийских прицелов привело к созданию микроскопа в нашем современном понимании.

Перед Второй мировой войной в Германии был создан прообраз электронного микроскопа, к которому уже после войны добавили сканирующий вариант. Идея сканирования не давала покоя Герду Биннигу и Генриху Рореру, которые в середине 1980-х разработали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), линз не имеющий. За ним последовал микроскоп атомной силы - AFM (Atomic Force Microscope). Известно, что в основе принципа действия AFM лежит эффект регистрации силы отталкивания нейтральных атомов на поверхности. Этот микроскоп создает топографическую "карту" поверхности исследуемого образца, улавливая механические колебания кончика рычажка.

К сожалению, обе разработки талантливых изобретателей оказались очень дороги, позволить себе их могут только богатые лаборатории.

Созданный французскими исследователями и инженерами гораздо более дешевый в изготовлении прибор использует ускорение, которое прямо пропорционально амплитуде колебаний. Принцип использования макроосцилятора позволяет не только улавливать шероховатости поверхности около 100 нанометров (нм), но и исследовать также объекты в жидкой среде, что недоступно АФМ. Свою статью в журнале Nanotechnology ученые назвали "Микромегаскоп". В будущем с его помощью можно будет исследовать строение многоатомных молекул, находящихся в постоянном тепловом движении и вращении. Пока же его изучают с помощью сверхбыстрых фотонных и электрических импульсов.


Световой импульс возбуждает молекулу, связь С-J начинает колебаться (Vibration),
что приводит к отрыву йода (Dissociation). Иллюстрация Physorg

Не так давно были получены картины молекул азота и йода, а также СS2. Журнал Science сообщил о получении "кино", по ходу которого прослеживает отрыв атома йода от молекулы CFзJ (трифтор-йод-метана) в ходе ее фотолиза, то есть расщепления с помощью света. Высокая степень разрешения достигнута благодаря разгону электронных пучков до околосветовой скорости и сокращению лазерных импульсов с 200 до 150 фемтосекунд (1,5 х 10-13 сек.; для сравнения: 1 сек. в этом масштабе равна 210 тыс. лет).

Поглощение фотона в полном соответствии с теорией скачков Нильса Бора приводит к возбуждению электрона и подъему на более высокий энергетический уровень. Это, в свою очередь, приводит к увеличению вибрации связи С-J, в результате чего атом йода отрывается. В будущем авторы намереваются применить свой метод повышения КПД солнечных батарей и "налаживания" искусственного фотосинтеза.

Электронщиков в этой работе могут заинтересовать результаты исследования реакции ДНК на ультрафиолетовые фотоны. Известно, что вещество генов в норме не подвергается фотолизу, конвертируя энергию солнечного ультрафиолета в... тепло. Оно затем рассеивается, не нанося вреда генам. Электронщики сейчас пытаются решить ту же задачу путем использования алмазов, хорошо проводящих тепло. Кстати, исследователи в Принстоне в кристаллы синтетических алмазов специально вносят дефекты (замещая углерод кремнием, генерирующий фотоны), что позволяет хранить и передавать квантовую информацию.

Помимо тепла солнечный свет приносит энергию, которая способна генерировать электричество (КПД этой конверсии сегодня достигает 14%). Но что делать ночью? Решение проблемы, связанной с нерегулярностью инсоляции, видят в фотолизе - восстановлении - воды. С этой задачей прекрасно справляется зеленый лист растений, в котором под действием света накапливается водород, полученный при расщеплении воды.

Сотрудники Германского исследовательского центра в г. Ильменау, Кембриджа и Калифорнийского технологического института в Лос-Анджелесе предложили принципиально новое решение в виде монолитного фотокатода из алюминий-индиевого полупроводника, покрытого тонким прозрачным слоем оксида титана (TiO2). Последний обладает антикоррозийным свойством, что очень важно для использования в кислой среде, в которой увеличивается транспорт электронов. Это увеличивает эффективность использования солнечной энергии для получения водорода. На одной стороне монолитного фотокатода накапливается выделяющийся Н2, а на другой - О2. Эффективность процесса достигает 19,3%.

КПД предполагается еще повысить за счет комбинации полупроводников с дешевым кремнием, прекрасно освоенным электронной промышленностью. Это позволит существенно удешевить процесс.

Читайте другие наши материалы