Procesy zachodzące na poziomie atomów odznaczają się nie tylko małą skalą. Cechuje je także niezwykle wysoka szybkość, dlatego są one trudne do zaobserwowania. Jednak niemieccy i amerykańscy naukowcy zaprezentowali w czasopiśmie Nature techniki znacznie przybliżające nas do uzyskania nagrania wideo przedstawiającego właśnie procesy, które zachodzą na poziomie atomów.

Zdołali oni zarejestrować obrazy w krótkich odstępach czasu, umożliwiających obserwację atomów i nanostruktur w czasie rzeczywistym. Nagranie to pokazuje zachowanie się atomów w kluczowym momencie reakcji chemicznej. Umożliwi to lepsze poznanie zjawisk trwających zaledwie femtosekundę (femtosekunda stanowi jedną milionową jednej miliardowej części sekundy).

Prace wspomnianych uczonych otrzymały wsparcie w ramach unijnego projektu X-RAY PUMP-PROBE ("Spektroskopia rentgenowska metodą pompowania i próbkowania - nowe narzędzia badania ultraszybkiej dynamiki powierzchni"), sfinansowanego kwotą 160 000 euro ze środków międzynarodowego grantu wyjazdowego programu Marie Curie w ramach Siódmego Programu Ramowego.

Tradycyjne mikroskopy optyczne, szeroko wykorzystywane do obserwacji w niewielkich skalach, nie sprawdzają się w przypadku atomów. Pozwalają najwyżej na obserwację obiektów o średnicy 200 nanometrów (nm), czyli o trzy rzędy wielkości większych niż średnica atomu. Obrazowanie w skali atomowej wymaga diametralnie innego podejścia, którego pierwszym elementem jest skrócenie długości fali światła.

Długość fali fotonów światła widzialnego jest ogromna w odniesieniu do skali atomowej. Zakres długości fali światła widzialnego wynosi od około 400 do 750 nm, z czym wiąże się podstawowe ograniczenie, nazywane limitem dyfrakcyjnym. Określa on wielkość obiektu, który można obserwować z użyciem fotonów o tej długości fali.

Do obserwacji z dokładnością co do nanometra i większą potrzebne jest promieniowanie rentgenowskie. W ostatnich latach nastąpiło kilka imponujących, przełomowych odkryć w zakresie mocy mikroskopii rentgenowskiej. Naukowcy z Uniwersytetu w Kilonii zastosowali ultrakrótkie błyski światła w miękkim promieniowaniu rentgenowskim regionu spektralnego wytworzonego za pomocą układu laserów.

Prof. Michael Bauer z Uniwersytetu w Kilonii wyjaśnił: "opracowane przez nas techniki umożliwiają rejestrowanie nagrań wideo niezwykle szybkich procesów na znacznie większą skalę…, niż było to dotychczas możliwe za pomocą podobnych technik".

"Mogliśmy bezpośrednio prześledzić zmiany faz ciał stałych oraz reakcje katalityczne zachodzące na powierzchniach" - dodał prof. Bauer. Zjawiska te następują na przykład wtedy, gdy atomy i cząsteczki wchodzą we wzajemne reakcje lub gdy zmienia się stan elementów elektronicznych. Czas zachodzenia tych procesów wyraża się w femtosekundach.

"W wyniku odtworzenia uzyskanych obrazów w zwolnionym tempie uzyskaliśmy ogromną ilość informacji" - podsumował prof. Bauer. "Dzięki temu zdobędziemy całkowicie nową wiedzę na temat najistotniejszych właściwości elektronicznych ciał stałych. Zagadnienie to jest istotne w przypadku wielu obecnych i przyszłych technologii, na przykład telekomunikacyjnych".

Więcej informacji:

Uniwersytet w Kilonii:
http://www.uni-kiel.de/index-e.shtml

Międzynarodowy grant wyjazdowy programu Marie Curie:
http://cordis.europa.eu/mariecurie-actions/oif/home.html

Nature:
http://www.nature.com/nature

Źródło: CORDIS