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標題: 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 [打印本頁]

作者: jiunn36 時間: 2019-12-8 01:51 AM 標題: 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

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　　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。

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