الأساليب التي طورها مؤخرًا باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) - والتي تتيح التنبؤ بالتغيرات النانومترية السريعة واللحظية في بنية المادة في الوقت الفعلي
تم استخدام الأساليب التي طورها مؤخرًا باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا (Caltech) - والتي تتيح التنبؤ بالتغيرات النانومترية السريعة واللحظية في بنية المادة في الوقت الفعلي - لمحاكاة المجالات الكهربائية المتغيرة الناتجة عن التفاعلات بين الإلكترونات والفوتونات، وتتبع التغيرات في الهياكل الذرية.
تظهر المقالات التي تصف الأساليب المبتكرة في العدد السابع عشر من ديسمبر من المجلة العلمية Nature والعدد الثلاثين من أكتوبر من المجلة العلمية Science.
تم تطوير الفحص المجهري رباعي الأبعاد (4D) - وهو النهج الذي تعتمد عليه الطريقة المبتكرة - في مركز البيولوجيا الفيزيائية للتكنولوجيا وأسرع العلوم التابع لمعهد كاليفورنيا للتكنولوجيا. ويرأس هذا المركز أحمد زويل، أستاذ الكيمياء بكلية كاليفورنيا للتكنولوجيا، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1999.
فاز زويل بجائزة نوبل لريادة المجال العلمي لكيمياء الفيمتو، واستخدام ومضات الليزر القصيرة للغاية لمراقبة التفاعلات الكيميائية الأساسية التي تحدث على مقياس زمني بالفيمتو ثانية (ربع مليون من الثانية، جزء من الألف من النانو ثانية). يقول زويل إن البحث "نجح في التقاط الذرات والجسيمات أثناء حركتها"، لكن في حين أن هذه "الصور الفوتوغرافية" للجسيمات توفر البعد الزمني للتفاعلات الكيميائية، فإنها لا تساهم في البعد المكاني لهذه التفاعلات - أي تأثيرها. الهيكل أو التنظيم في الفضاء.
تمكن الباحثون من ملاحظة التنظيم المكاني المفقود من خلال الفحص المجهري رباعي الأبعاد، والذي يستخدم إلكترونات منفصلة لجلب البعد الزمني إلى المجهر الإلكتروني النموذجي عالي الدقة، وبالتالي توفير طريقة لمراقبة البنية المتغيرة للأنظمة المعقدة على المستوى الذري.
في الدراسة، الموصوفة في مقالتهم، تمكن العلماء من تركيز شعاع من الإلكترونات في مجمع نانومتر محدد موجود في العينة، وبالتالي مكنهم من التمييز بين الهياكل النانومترية الشبيهة بالنقطة على المستوى الذري. في طريقة حيود الإلكترونات، يتم إضاءة جسم معين بواسطة شعاع من الإلكترونات. يتم إرجاع الإلكترونات من ذرات العظم، وتنتشر إلى الخارج وتصل إلى الكاشف. توفر الأنماط التي تم الحصول عليها في الكاشف معلومات مفيدة فيما يتعلق بالموقع المكاني الدقيق للذرات في المادة التي يتم اختبارها. ومع ذلك، إذا كانت الذرات في حالة حركة، فإن الأنماط الناتجة تكون غير واضحة، وبالتالي تحجب التفاصيل المتعلقة بالتغيرات الدقيقة التي تحدث في المادة.
الطريقة الجديدة التي طورها العلماء تحل مشكلة الضبابية باستخدام نبضات الإلكترون بدلا من تيارها الثابت. يتم تسخين العينة التي يتم اختبارها - في إحدى الحالات قطعة من الزنك البلوري - أولاً باستخدام نبضة قصيرة من ضوء الليزر. بعد ذلك، يتم تشعيع العينة بنبضات إلكترونية على فترات زمنية بالفيمتو ثانية، وترتد الإلكترونات من الذرات وفي نهاية العملية يتم إنشاء نمط الحيود الذي تم الحصول عليه في الكاشف.
وبما أن نبضات الإلكترون قصيرة جدًا في الوقت المناسب، فإن الذرات الساخنة ليس لديها الوقت الكافي للتحرك كثيرًا؛ "مدة التعرض" القصيرة هذه هي ما يمنح الصور حدتها. ومن خلال ضبط وقت التأخير بين لحظة تسخين العينة ولحظة تصويرها، يتمكن العلماء من جمع مكتبة من الصور "الثابتة" التي يتم ضمها معًا لإنشاء فيديو، على غرار عملية الرسوم المتحركة التقليدية.
يوضح الباحث الرئيسي: "في الأساس، جميع العينات التي نعمل بها تكون موحدة"، مع تغييرات طفيفة جدًا في التركيب داخل المجمعات الصغيرة. "توفر هذه الطريقة أدوات لفحص المجمعات المحلية في المواد والهياكل البيولوجية، بدقة مكانية تبلغ نانومترًا أو أقل وبدقة زمنية تبلغ الفيمتو ثانية."
تتيح طريقة الاحتمالية المبتكرة رسم خرائط لبنية المواد على المستوى الذري. وباستخدام الطريقة الثانية - المفصلة في مقال منشور في مجلة Nature - يمكن رسم وتصور الضوء المنبعث من هذه الهياكل النانوية. تعتمد الفكرة وراء هذه الطريقة على التفاعلات بين الإلكترونات والفوتونات. تنتج الفوتونات مجالات مؤقتة في الهياكل النانوية، والإلكترونات قادرة على الاستفادة من طاقة هذه المجالات - والتي يمكن ملاحظتها في الفحص المجهري رباعي الأبعاد.
فيما يُعرف باسم "تأثير الإلكترون في المجال القريب الناجم عن الفوتون"، تستمر بعض المواد - بعد تعرضها لأشعة الليزر - في "التوهج" لفترة قصيرة ولكن قابلة للقياس (في حدود عشرات إلى مئات الوفيات النسائية). . في تجربتهم، أضاء الباحثون أنابيب الكربون النانوية والأسلاك الفضية بنبضات قصيرة من شعاع الليزر الناتج عن الإلكترونات المقذوفة مسبقًا. استمرت الحقول المؤقتة لعدة فمتوثانية، و"جمعت" الإلكترونات الطاقة منها خلال هذا الوقت بكميات منفصلة وفقًا للطول الموجي لشعاع الليزر.
وتكمن ميزة هذه الطريقة في أنها توفر طريقة للتنبؤ بالمجالات المؤقتة عندما يتم تحديد الإلكترونات التي تلقت طاقة زائدة منها بشكل انتقائي، كما يمكن محاكاة البنى النانوية نفسها بها.
"كما وصفها مراجعو هذه المقالات، فإن طريقة العرض هذه تفتح مجالات جديدة من إمكانيات التصوير مع القدرة على التأثير على مجالات البحث مثل البلازمونيات والضوئيات والمجالات ذات الصلة"، يشير الباحث الرئيسي. "الأمر المذهل، من وجهة نظر الفيزياء الأساسية، هو القدرة على محاكاة الفوتونات باستخدام الإلكترونات. عادة، وبسبب عدم التطابق بين طاقة وزخم الإلكترونات والفوتونات، لم نلاحظ قوة التأثير الذي تم اختباره بطريقتنا المبتكرة أو القدرة على تصوره في البعد الزماني والمكاني معًا.
تعليقات 9
1. تصحيح المقال: الفيمتو ثانية هي جزء من مليون من النانو ثانية وليس ألف من النانو ثانية.
1. تصحيح للمقالة: الفيمتو ثانية هي جزء من مليون من النانو ثانية وليس ألف من النانو ثانية.
2. بدلاً من تسميته بالمجهر رباعي الأبعاد، لم يتمكنوا من القول: لقد وجدنا طريقة لتصوير الذرات بالفيديو.
إلى مجهول،
لا أحد يعتقد للحظة أن هذا اسم غير عربي. ما الذي أنت قلق بشأنه
و محامي الشيطان
أنا لم أقل لا، ولكن إذا قلت..
يمكنك كتابة "احمد زويل". لن أقتلك (حرفيا)
إيال
في الواقع، هناك أيضًا احتمال أن يكون الإلكترون داخل النواة وليس "حولها" فقط.
ههه! هل هذا هو السبب وراء كل هذا الجهد؟
أرى الفوتونات طوال الوقت بدون مجهر وبدون جص.
ما الذي يحدث حقا هناك في الصورة؟
ورآن، صحيح أن هذا ما تم تدريسه في المدرسة، لكنه ليس دقيقا، ويمكن وصف موقع الإلكترونات حول نواة الذرة احتماليا، بحيث أنه مقابل كل نقطة تختارها حول النواة سيكون هناك احتمال كذا وكذا لوجود الإلكترون، إذا كنت ترغب في توسيع معرفتك حول هذا الموضوع، ابحث عن "المدارات".
وأيضا على وجه التحديد لسؤالك: http://www.weizmann.ac.il/zemed/net_activities.php?cat=1448&incat=1412&article_id=2097&act=forumPrint
يمكن أن يكون تشابك الفوتونات
ما هو هذا X داخل الذرة؟
ألا يجب أن تبدو الذرة وكأنها نواة تحيط بها مدار بيضاوي الشكل من الإلكترونات؟