Hiermee kunnen we de beweging van elektronen volgen

Stel je voor dat je de kleinste materiedeeltjes kunt waarnemen en de bewegingen van elektronen in realtime kunt vastleggen, met een nauwkeurigheid die nog nooit eerder is bereikt. Dit is nu mogelijk dankzij recente ontwikkelingen in de elektronenmicroscopie. Onderzoekers van de Universiteit van Arizona hebben ’s werelds snelste microscoop ontwikkeld die de beweging van elektronen kan vastleggen op een tijdschaal tot op de totoseconde. Deze technologie zou ons uiteindelijk in staat kunnen stellen meer te leren over het kwantumgedrag van materie en de ontwikkeling van nieuwe materialen te versnellen.

Deze technologische doorbraak is gebaseerd op het gebruik van ultrasnelle elektronenpulsen, waardoor het mogelijk is om de beweging van elektronen met ongeëvenaarde precisie te volgen. ” Wanneer je de nieuwste versie van een smartphone aanschaft, heb je meestal een betere camera dan voorheen ’ legt Ve uit
persbericht Van de Universiteit van Arizona, Dr. Mohamed Hassan, hoogleraar natuurkunde en optische wetenschappen. ” Deze elektronenmicroscoop is vergelijkbaar met de zeer krachtige camera in de nieuwste versie van smartphones; Hiermee kunnen we foto’s maken van dingen die we voorheen niet konden zien, zoals elektronen. Met behulp van deze microscoop hopen we dat de wetenschappelijke gemeenschap de kwantumfysica achter het gedrag en de beweging van elektronen kan begrijpen “, voegt hij eraan toe.

De nieuwe microscoop maakt gebruik van een dubbele lichtpuls: de eerste puls, een zogenaamde ‘pomppuls’, exciteert elektronen in het monster, terwijl de tweede, nauwkeurig getimede puls de bewegende elektronen opvangt. Met deze methode kunnen beelden worden verkregen op een tijdschaal van 625 attoseconden (of 625 miljardste van een miljardste van een seconde), wat een aanzienlijke vooruitgang is ten opzichte van eerdere technieken.

Om het apparaat te ontwerpen gebruikten de onderzoekers een krachtige laser die ze in twee delen verdeelden: een die een zeer snelle elektronenpuls uitzendt en de andere twee zeer korte lichtpulsen. De eerste lichtpuls, de pomppuls genoemd, levert energie aan het monster, waardoor elektronen gaan bewegen of andere snelle veranderingen optreden. De tweede lichtpuls, de ‘optische poortpuls’ genoemd, creëert een kort tijdsvenster waarin een attoseconde-elektronenpuls wordt gegenereerd. Door de twee pulsen zorgvuldig te synchroniseren, bepalen de onderzoekers het tijdstip waarop de elektronenpulsen het monster bemonsteren, waardoor ultrasnelle processen op atomair niveau kunnen worden gevolgd.

Net als bij een camerasluiter konden ze met deze pulsen elke 625 attoseconden een nieuw beeld van elektronen in een grafeenvel vastleggen, of ongeveer duizend keer sneller dan de huidige technieken.

Veelbelovende toepassingen op diverse terreinen

De potentiële toepassingen van deze technologie zijn breed en veelbelovend. In de natuurkunde kan het een beter begrip opleveren van de fundamentele interacties tussen elektronen en elektromagnetische velden. In de scheikunde kan het de studie van chemische reacties enorm helpen door directe visualisatie van elektronische bewegingen tijdens reacties te bieden.

De studie gepubliceerd in Vooruitgang van de wetenschapHet legt ook uit hoe nieuwe microscopietechnologie het mogelijk maakt de beweging van elektronen in realtime rechtstreeks te koppelen aan de structurele dynamiek van een materiaal. Dit betekent dat wetenschappers nu verschijnselen kunnen observeren en analyseren die te snel optreden om met eerdere technieken te kunnen worden gedetecteerd. In de bio-engineering kan deze technologie worden gebruikt om biologische processen op moleculair niveau te monitoren, wat kan leiden tot ontdekkingen over het functioneren van cellen en biologische moleculen.

Uiteraard blijven de implicaties van deze technologie niet beperkt tot fundamenteel onderzoek. Het kan ook praktische toepassingen hebben op het gebied van industrieel en toegepast onderzoek. Elektronenmicroscopen worden daar al veel gebruikt om de structuur en samenstelling van materialen te onderzoeken, en deze nieuwe technologie kan de nauwkeurigheid en snelheid van deze analyses aanzienlijk verbeteren.

Zie ook

Zoals elke nieuwe technologie brengt deze vooruitgang echter ook uitdagingen met zich mee. In de eerste plaats vereist de implementatie ervan, althans voorlopig, geavanceerde en dure apparatuur, evenals een gespecialiseerde opleiding van onderzoekers. Bovendien brengt het verwerken van monsters in zulke korte tijdsbestekken aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee. ”
Het verbeteren van de temporele resolutie binnen elektronenmicroscopen wordt al lang verwacht en staat in de belangstelling van veel onderzoeksgroepen, omdat we allemaal de beweging van elektronen willen zien. », Saeed Hassan in de persverklaring.

In de geneeskunde zou deze technologie onderzoekers in staat kunnen stellen te bestuderen hoe elektronen in DNA bewegen. Hassan gelooft dat deze informatie kan helpen bij het creëren van nieuwe materialen of gepersonaliseerde medicijnen.

bron : Vooruitgang van de wetenschap