Hình ảnh về nguyên tử di chuyển trong phân tử

Ngày 7/3, theo hãng tin AFP, các nhà vật lý thuộc trường Đại học bang Ohio, Mỹ, công bố một kết quả đặc biệt trong việc quan sát thế giới phân tử. Lần đầu tiên, nhóm nghiên cứu chụp được hình ảnh mô tả chuyển động thực của các nguyên tử bên trong một phân tử, thay vì chỉ suy ra chúng qua những phép đo gián tiếp. Thành tựu này mở ra cách nhìn mới về những dao động cực nhỏ, vốn diễn ra nhanh đến mức các phương pháp quan sát thông thường gần như không thể ghi nhận. Đối tượng được khảo sát gồm các phân tử nitơ và oxy, hai chất quen thuộc nhưng chứa những chuyển động nguyên tử phức tạp ở cấp độ rất nhỏ. Để theo dõi chúng, các nhà khoa học sử dụng một tia laser cực nhanh, có thời gian phát xung 50 femto giây, tương đương một phần nghìn triệu triệu của một giây. Khoảng thời gian ngắn đến khó hình dung này cho phép thiết bị ghi lại những thay đổi diễn ra gần như tức thời bên trong phân tử. Kỹ thuật mới biến một trong các electron của phân tử thành dạng đèn flash đặc biệt, giúp làm sáng chính quá trình chuyển động cần quan sát. Tia laser chiếu trực tiếp vào phân tử, cung cấp đủ năng lượng để đánh bật một electron độc thân khỏi lớp vỏ ngoài của nó. Sau khi rời khỏi phân tử, electron này không biến mất mà tiếp tục trở thành nguồn tín hiệu quan trọng cho phép nhóm nghiên cứu theo dõi diễn biến tiếp theo. Electron bị bật ra sau đó quay trở lại chính phân tử ban đầu, tạo nên một va chạm cực nhỏ giữa hạt electron và cấu trúc phân tử. Hiện tượng này có thể hình dung như một viên sỏi rơi xuống mặt hồ, tạo ra những gợn sóng lan rộng trên bề mặt nước. Tuy nhiên, thay vì quan sát gợn sóng bằng mắt, các nhà khoa học đo những biến đổi năng lượng do cú va chạm tạo ra bằng hệ thống cảm biến chuyên dụng. Khi electron trở về, vụ va chạm tạo ra nhiễu xạ năng lượng, mang theo thông tin về cấu trúc cũng như trạng thái dao động của phân tử. Máy cảm biến ghi lại tín hiệu này, trong đó chứa dấu vết chuyển động rung của các nguyên tử đang nằm bên trong phân tử. Những tín hiệu tưởng như rất nhỏ ấy trở thành dữ liệu để nhóm nghiên cứu tái dựng hình ảnh về một thế giới không thể nhìn thấy bằng kính hiển vi thông thường. Bằng cách đo các tín hiệu nhiễu xuất hiện khi electron va chạm với phân tử, các nhà vật lý có thể tái tạo kích cỡ và hình dạng của phân tử. Phương pháp này còn cung cấp thông tin về vị trí các hạt nhân nguyên tử, giúp làm rõ cách những thành phần đó sắp xếp trong cấu trúc phân tử. Quan trọng hơn, dữ liệu thu được cho phép nhận diện các hoạt động bên trong phân tử, thay vì chỉ ghi nhận hình dạng tĩnh của nó. Quá trình đo đạc cũng giúp các nhà nghiên cứu nắm bắt chuyển động của nguyên tử trong khoảng thời gian cực ngắn mà tia laser đã khảo sát. Từ những dấu hiệu do electron để lại, họ có thể vẽ ra một sơ đồ khung, mô tả cách các nguyên tử rung chuyển và thay đổi vị trí bên trong phân tử. Sơ đồ này giống một chuỗi hình ảnh liên tiếp, giúp biến những dao động siêu nhanh thành dạng thông tin mà con người có thể phân tích. Giáo sư Louis DiMauro nhận định công trình đánh dấu một bước tiến bộ không chỉ trong việc quan sát các phản ứng hóa học, mà còn trong khả năng điều khiển chúng ở cấp độ nguyên tử. Khi chuyển động bên trong phân tử được theo dõi rõ hơn, các nhà khoa học có thêm công cụ tìm hiểu cách phản ứng hóa học bắt đầu, diễn biến và thay đổi theo thời gian. Kết quả từ Đại học bang Ohio vì thế được xem là bước tiến đáng chú ý, đưa việc quan sát vật chất đến gần hơn với những chuyển động thực sự bên trong thế giới phân tử.