นักวิทยาศาสตร์ในประเทศจีนได้คิดค้นสิ่งที่พวกเขาอธิบายว่าเป็นโมเลกุลที่เทียบเท่ากับเข็มทิศเพื่อวัดปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอของ van der Waals ระหว่างอะตอม พวกเขาทำได้โดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดใหม่เพื่อติดตามการหมุนของโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนเดี่ยวภายในคริสตัล นักวิทยาศาสตร์คิดว่าเซ็นเซอร์ขนาดเล็กของพวกเขาสามารถให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับกระบวนการระดับโมเลกุล เช่น ตัวเร่งปฏิกิริยาและการเปลี่ยนเฟส
แรง Van der Waals เกิดขึ้นจากความผันผวนชั่วคราว
ในความหนาแน่นของประจุในอะตอมหรือโมเลกุลที่อยู่ใกล้เคียง ถึงแม้ว่าพวกมันจะได้ผลในระยะทางที่จำกัด แต่พวกมันก็ยังมีอยู่ทั่วไปในธรรมชาติและถูกเอารัดเอาเปรียบอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม โดยมีบทบาทสำคัญในด้านต่างๆ ตั้งแต่ฟิสิกส์ของสสารควบแน่นไปจนถึงชีววิทยาเชิงโครงสร้าง อย่างไรก็ตาม การวัดโดยตรงมักจะต้องใช้เทคนิคที่ซับซ้อนซึ่งเหมาะที่สุดสำหรับการศึกษาอะตอมเดี่ยว
ในงานล่าสุด Fei Wei และ Xiao Chen จากมหาวิทยาลัย Tsinghua ในประเทศจีนและเพื่อนร่วมงานได้หันมาใช้เทคนิคที่เรียกว่ากล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบดิฟเฟอเรนเชียลแบบบูรณาการ (iDPC-STEM) เช่นเดียวกับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนรูปแบบอื่นๆ iDPC-STEM ใช้ประโยชน์จากความยาวคลื่นสั้น de Broglie ของอิเล็กตรอนที่มีพลังเพื่อสร้างภาพที่ความละเอียดสูงกว่าที่เป็นไปได้ด้วยคลื่นแสง อย่างไรก็ตาม มีข้อดีที่สำคัญสองประการเหนือกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบอื่น
พัฒนาโดยนักวิจัยที่Thermo Fisher Scientific ในเมือง Eindhovenประเทศเนเธอร์แลนด์ (รวมถึงสมาชิกกลุ่มปัจจุบัน Eric Bosch และ Ivan Lazić) ใช้ข้อมูลภาพแบบบูรณาการ ซึ่งให้อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่สูงขึ้นสำหรับฟลักซ์อิเล็กตรอนที่กำหนด และทำให้อิเล็กตรอนมีขนาดเล็กลง ปริมาณที่จะใช้ นอกจากนี้ คอนทราสต์ของภาพยังขยายเป็นเส้นตรงโดยประมาณด้วยเลขอะตอม Z มากกว่าที่มี Z 2ทำให้เหมาะสำหรับการศึกษาระบบที่มีองค์ประกอบทั้งเบาและหนัก
โมเลกุลเดี่ยวในผลึก
ระบบในการทดลองของทีม Tsinghua มีความไวต่อลำแสงอิเล็กตรอนมาก และทำมาจากโมเลกุลเดี่ยวของพาราไซลีน (ประกอบด้วยคาร์บอน 8 อะตอมและออกซิเจน 10 อะตอม) ที่ติดอยู่ภายในช่องว่างของผลึกซีโอไลต์ (ซีโอไลต์เป็นแร่ธาตุที่มีรูพรุนขนาดเล็กที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติแต่ยังถูกผลิตขึ้นในระดับอุตสาหกรรมด้วย) ประเภทของซีโอไลต์ที่ใช้ในงานวิจัยนี้เรียกว่า ZSM-5 ประกอบด้วยวงแหวนของอะตอมซิลิกอนและออกซิเจนที่เชื่อมรอบรูขนาดใหญ่ใน แผ่นขัดแตะสองมิติ เมื่อแผ่นเหล่านี้สองสามแผ่นวางซ้อนกัน รูจะเรียงตัวกัน สร้างช่องตื้นผ่านโครงสร้าง Wei และเพื่อนร่วมงานได้วางโมเลกุลพาราไซลีนลงในช่องทางเหล่านี้โดยผสมผง ZSM-5 และของเหลวพาราไซลีนในเครื่องหมุนเหวี่ยง
รูปแสดงเข็มทิศจีนดั้งเดิมพร้อมภาพแผนผังและ STEM ของเข็มทิศโมเลกุล
ก) เข็มทิศจีนโบราณ b) โครงสร้างของเข็มทิศ van der Waals โมเลกุลเดี่ยว c) ภาพ iDPC-STEM และแบบจำลองโครงสร้าง (สิ่งที่ใส่เข้าไป) ของคริสตัล ZSM-5 ที่ว่างเปล่า เพื่อสร้างเข็มทิศ Wei และเพื่อนร่วมงานใช้ประโยชน์จากข้อเท็จจริงที่ว่าปริมณฑลของแต่ละหลุมประกอบด้วยวงแหวนของซิลิกอน 10 ตัวและอะตอมออกซิเจน 10 อะตอมกระจายตัวในช่วงเวลาเท่ากันประมาณ 18 องศา แนวคิดคือการใช้โมเลกุลพาราไซลีนภายในวงแหวนแต่ละวงเป็นตัวชี้ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงใดๆ ในแกนของโมเลกุลที่สัมพันธ์กับอะตอมของซิลิกอนและออกซิเจน (“จุดเข็มทิศ”) จะบ่งบอกถึงการเปลี่ยนแปลงในปฏิสัมพันธ์ของ van der Waals ในพื้นที่ นักวิจัยสามารถกำหนดลักษณะของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ได้โดยการถ่ายภาพโมเลกุลและสังเกตทิศทางของโมเลกุล แกนยาวในระนาบของวงแหวน
พลังเล็กๆ เปลี่ยนไป
Wei และเพื่อนร่วมงานแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถใช้เข็มทิศเพื่อวัดการเปลี่ยนแปลงของแรงทั้งในอวกาศและเวลาได้อย่างแท้จริง พวกเขาทำเช่นนี้โดยเปรียบเทียบการเปลี่ยนแปลงในการวางแนวของพอยน์เตอร์พาราไซลีน ดังที่เห็นในรูปภาพที่จัดทำโดย iDPC-STEM กับการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของวงแหวน (วงรีเล็กน้อย) พวกเขาวัดความผันแปรเหล่านี้โดยใช้การวัดความเข้มเพื่อสร้างระยะห่างระหว่างอะตอมคู่ที่ด้านตรงข้ามของวงแหวน
นักวิจัยเปรียบเทียบวงแหวนหลายวงและพบว่าพอยน์เตอร์มักจะเรียงตามแนวแกนหลักในแต่ละวงรี พวกเขายังพบว่าตัวชี้ในวงแหวนใด ๆ มีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่ระหว่างจุดเข็มทิศเพื่อให้อยู่ในแนวเดียวกับแกนที่ยาวที่สุดเมื่อวงแหวนเปลี่ยนรูปร่าง (เนื่องจากการได้รับอิเล็กตรอนเพิ่มขึ้น)
เพื่อเชื่อมโยงการตอบสนองเหล่านี้ต่อการเปลี่ยนแปลงในการโต้ตอบของ Van der Waals นักวิจัยได้ใช้หลักการแรกในการคำนวณเพื่อหาว่าพลังงานปฏิสัมพันธ์ของโมเลกุลพาราไซลีนควรแปรผันตามรูปทรงเรขาคณิตของวงแหวนอย่างไร พวกเขาพบว่าสำหรับวงรีที่ต่างกันแต่ละวง มันมักจะเป็นที่นิยมอย่างกระฉับกระเฉงสำหรับโมเลกุลที่จะเรียงตัวกันตามแกนที่ยาวที่สุด – แสดงให้เห็นว่าแต่ละโมเลกุลในโมฆะคริสตัลของมันทำหน้าที่เป็น “เข็มทิศ van der Waals” อย่างแท้จริง
ความท้าทายในการตีความเฉินให้เหตุผลว่างานนี้สามารถนำไปใช้ในการเพิ่มประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ซีโอไลต์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ในการเปลี่ยนแอลกอฮอล์เป็นน้ำมัน ตามที่เธอชี้ให้เห็น ZSM-5 ประกอบด้วยอะตอมของอะลูมิเนียม ซึ่งสามารถให้โปรตอนระหว่างปฏิกิริยาระหว่างกรดกับเบสซึ่งจำเป็นต่อการเร่งปฏิกิริยาดังกล่าวภาพแมกนีโตมิเตอร์โมเลกุลเดี่ยวหมุนโต้ตอบ
ผู้เชี่ยวชาญคนอื่นๆ ตอบโต้ด้วยความกระตือรือร้นและความระมัดระวัง Shigeki Kawaiจากสถาบันวัสดุศาสตร์แห่งชาติในเมือง Tsukuba ประเทศญี่ปุ่นกล่าวว่าในขณะที่กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างภาพโมเลกุลเดี่ยวแล้ว แต่ไม่มีใครเคยยึดโมเลกุลเดี่ยวไว้ในรูพรุนของซีโอไลต์ เขาคิดว่าความสามารถนี้อาจทำให้โมเลกุลที่แตกต่างกันสองโมเลกุลเรียงตัวกันหรือแม้แต่ทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน
Bart Kooiแห่งมหาวิทยาลัย Groningen ในเนเธอร์แลนด์ กล่าวชมเชย Wei และเพื่อนร่วมงาน “ตัวอย่างที่เตรียมมาอย่างดีและการสร้างภาพอันล้ำสมัย” อย่างไรก็ตาม เขาเสริมว่าการใช้ภาพสองมิติเพื่อแสดงโครงสร้างสามมิติทำให้ขั้นตอนการคำนวณพลังงานปฏิสัมพันธ์มีความซับซ้อน นอกจากนี้ เขายังตั้งคำถามถึงขอบเขตที่อิเล็กตรอนในการถ่ายภาพ แม้จะอยู่ในขนาดต่ำ อาจยังคงส่งผลต่อโครงสร้างอะตอมที่กำลังศึกษาอยู่
Credit : cateringiperque.com cdmasternow.com cheaplinksoflondonshop.com conviviosfraternos.com
