Bắt các electron khi chúng thoát khỏi một chất lỏng
Một kỹ thuật mới cho phép thực hiện các đo đạc chính xác các electron thoát khỏi bề mặt một chất lỏng – thông tin quan trọng để hiểu các phản ứng hóa học trong các giọt nước trong bầu khí quyển.
Các giọt nước trong đám mây là nơi trú ngụ của các electron, vốn đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực hóa học khí quyển. Một kỹ thuật mới có khả năng đem lại những phép đô đạc chi tiết hơn các hạt này.
Các electron chuyển động qua các chất lỏng đóng một vai trò quan trọng trong hóa học của những đám mây và trong các hiệu ứng của bức xạ lên các mô sinh học. Tuy nhiên việc đo được các electron này vẫn là thách thức, đặc biệt với các electron chuyển động vô cùng chậm. Hiện tại các nhà nghiên cứu đã thực hiện một phương pháp giúp họ tiến gần hơn tới việc đo các năng lượng của electron bên trong một chất lỏng. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các photon để đẩy các electron từ các giọt nhỏ bé và sau đó đo các mức năng lượng electron, chứng tỏ sự thống nhất với mô hình lý thuyết của họ. Trong tương lai, kỹ thuật này có thể giúp làm sáng tỏ cách các electron tương tác với chất lỏng trong nhiều thí nghiệm quan trọng.
Trong bầu khí quyển, các phản ứng hóa học xảy ra giữa các phân tử và ion bị hòa tan các giọt nước. Các nhà khoa học nghi ngờ, nhiều phản ứng trong số này diễn ra trong một lớp vỏ mỏng gần với bề mặt chất lỏng. Các electron trong chất lỏng này, được biết là các electron sonvat, có thể kích hoạt các phản ứng này nếu như chúng giàu năng lượng. Vì vậy để hiểu một cách đầy đủ về loại hóa học này, các nhà nghiên cứu cần phải nghiên cứu về các năng lượng của electron bên trong các giọt nước và đặc biệt là cách chúng khác biệt như thế nào tại bề mặt và trong lòng giọt nước. Các nhà sinh học có một mối quan tâm liên quan: bức xạ xuyên qua các mô sinh học tạo ra các electron chậm, vốn chứa các mức năng lượng khác nhau khi chúng di chuyển qua các tế bào. Hiểu về các biến đổi này có thể giúp các nhà nghiên cứu hiểu thêm về nơi có khả năng DNA bị tổn thương.
Nhưng việc đo sự khác biệt về năng lượng bên trong và bề mặt các electron trong một giọt chất lỏng không hề dễ dàng. Điểm khởi đầu thông thường là đẩy các electron ra khỏi chất lỏng bằng việc dùng tia laser và sau đó đo đạc sự phân bố của năng lượng electron. Phổ năng lượng này có thể có tiềm năng được sử dụng để hoạt động ngược trở lại và tái khám phá các biến thể của các mức năng lượng electron bên trong chất lỏng đó. Trong vòng 20 năm, các nhà nghiên cứu đã cố gắng làm sạch dữ liệu bằng việc nghiên cứu các electron bị đẩy khỏi các tia nhỏ chất lỏng. Nhưng các thí nghiệm đó đã gặp phải rất nhiều vấn đề, bao gồm độ nhạy cực cao để không hạn chế việc nạp điện của tia chất lỏng và sự khó khăn trong đo các electron chậm.
Hiện tại nhà hóa học Ruth Signorell và đồng nghiệp tại Viện công nghệ liên bang Thụy Sỹ (ETH) ở Zurich đã đi tiên phong với một cách tiếp cận khác biệt, sử dụng một chùm tia của các giọt chất lỏng phun vào một chân không ngay sau khi tạo ra được bằng một máy phun. Kỹ thuật mới cho phép điều chỉnh và kiểm soát hiện tượng nạp điện một cách chính xác lên các giọt chất lỏng và khiến họ có thể sử dụng các phương pháp dò với độ nhạy cao lên các electron chuyển động chậm.
Để thực hiện nguyên tắc này, Signorell và đồng nghiệp đã làm việc với các giọt chất lỏng dioctyl phthalate không bay hơi có đường kính 420 nano mét. Các giọt chất lỏng này bốc hơi đủ chậm để cho phép thực hiện thực nghiệm, trong đó nhóm nghiên cứu gia nhiệt bằng tia laser và đo đạc các hướng chuyển động và mức năng lượng cuối cùng của các electron bị đẩy. Họ có thể đặt các mức điện tích cụ thể ( +16,+8,0,−7+16,+8,0,−7, hoặc các khối nạp electron −15−15, trong nghiên cứu này) lên các giọt chất lỏng bằng việc phun lên chúng một lớp ion có kiểm soát. Họ thấy sự thống nhất giữa dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng, bao gồm các kết quả về mức cao và thấp về năng lượng của các electron.
Với các electron năng lượng cao (chúng có mức năng lượng cuối trên 1 eV), các quang phổ electron từ những giọt chất lỏng mang điện tích âm chuyển sang năng lượng cao, so với phổ trung bình của giọt chất lỏng. Điện tích âm đã cung cấp một lực đẩy lớn hơn khi các electron rời khỏi các giọt chất lỏng. Hiệu ứng ngược lại xảy ra với các electron bị đẩy khỏi các giọt chất lỏng mang điện tích dương với các mức năng lượng thấp hơn so với phổ trung bình của những giọt chất lỏng.
Với các năng lượng trên dưới 1 eV, một hiệu ứng lượng tử giảm số lượng các electron năng lượng thấp di chuyển qua rào chắn năng lượng này bằng phần tiếp giáp (giữa) chân không (và) chất lỏng. Nhiều hạt electron trong số đó đủ năng lượng để vượt qua barrier đó nhưng sự đồng dạng/tương tự của các bước sóng lượng tử (de Broglie) của chúng với độ dày của barrier dẫn đến nhiễu sóng lượng tử và một xác suất phản xạ mạnh. Các mô phỏng cho thấy độ nhạy với độ cao và chiều rộng của barrier có thể cho phép thực hiện các thí nghiệm tương lai để xác định rõ đặc điểm các chi tiết của phần tiếp giáp (giữa) chân không (và) chất lỏng, thông tin hiện vẫn chưa có được.
Signorell thừa nhận, các thí nghiệm này vẫn chưa xác định được mức năng lượng của các electron tăng lên hay mất đi khi chúng chuyển động trong một giọt chất lỏng nhưng vẫn có thể chứng minh giá trị của kỹ thuật mới. “Sự độc đáo trong thí nghiệm về các giọt chất lỏng là độ nhạy cao với bản chất chính xác của các lực có xu hướng giữ những electron bên trong giọt chất lỏng”, bà nói. Nhà hóa học John Herbert của trường đại học Ohio tại Columbus cho biết, kỹ thuật mới rất quan trọng bởi nó đem lại một cách tiếp cận bổ sung cho các thí nghiệm về các tia chất lỏng mà các nhà nghiên cứu đã dựa vào trong quá khứ.
Công trình này mới được xuất bản trên Physical Review Letters.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://physics.aps.org/articles/v13/4
