World first: Images of atoms moving in a molecule

Published : Mar 8, 2012 - 10:56 Updated : Mar 8, 2012 - 20:38

$Laser-induced electron diffraction$

Laser-induced electron diffraction

Scientists on Wednesday said they had recorded the first real-time images of atoms moving in a molecule, a feat that captured movement lasting less than one millionth of a billionth of a second.

The exploit entailed directing an ultra-fast laser onto molecules of nitrogen and of oxygen. Its pulse of light knocked a single electron out of its orbit around one of the atoms.

The electron tumbled back onto the molecule, causing a tiny collision that, like ripples in a pond, proved a "backlight" of energy. Sensors picked up a movement of joined atoms vibrating.

The research, published in the journal Nature, was headed by Louis DiMauro, a professor of physics of Ohio State University.

The molecules that were studied are very simple -- oxygen and nitrogen make up most of the atmosphere -- but the hope is to progress to imaging of more interesting fare.

Drug designers could be among the beneficiaries.

"You could use this to study individual atoms," DiMauro said in a press release.

"But the greater impact to science will come when we can study reactions between more complex molecules. Looking at two atoms -- that's a long way from studying a more interesting molecule like a protein."

In a separate technical breakthrough, also reported in Nature, physicists at CERN used microwaves to manipulate "anti-matter" atoms, once a staple of sci-fi but now one of the big frontiers of particle research.

In theory, there should be equal amounts of matter and its opposite, known as anti-matter, as a result of the Big Bang that created the cosmos.

But clearly there is not, otherwise the physical Universe would not exist.

When a matter atom meets an anti-matter atom, they cancel each other out in a burst of energy. So, for some reason, there is a far greater abundance of matter than anti-matter.

Scientists poring over this mystery have laboured to find out more about elusive anti-matter atoms.

In recent years, they have isolated anti-atoms and then stored them -- but handling them is a fiendishly hard task, given the risk of destroying them through mere contact.

The latest achievement, led by the so-called ALPHA team at CERN (European Center for Nuclear Research) in Geneva, entailed confining antihydrogen atoms in a magnetic trap and bombarding them with microwaves.

The energy kick forced the atoms out of the trap, providing some vital clues about their properties -- an "anti-atomic fingerprint," in the scientists' words. (AFP)

<한글 기사>

'1천조분의 1초' 원자 움직임 첫 촬영

과학 역사상 처음으로 분자 내부에서 움직이는 원자의 이미지를 사진으로 포착하는 시도가 성공했다.

그 동안 1천조분의 1초도 안 되는 원자의 움직임을 촬영하는 일은 현대 과학기술로도 해결하지 못한 전인미답의 과제였다.

이번 성과는 지구에서 가장 흔한 원소인 질소와 산소 분자에 초고속 레이저를 투사해 원자핵 둘레를 도는 특정 전자를 자극하는 첨단 과학 기술을 동원한 끝에 이뤄졌다고 AFP 통신이 7일 보도했다.

미국 오하이오 주립대 물리학과 루이스 디마우로 교수 연구팀이 진행한 이 같은 실험연구의 내용은 과학저널 네이처지 최신호를 통해 소개됐다.

연구팀은 실험을 위해 질소와 산소 분자 속의 전자를 매개체로 활용했다.

레이저 충격을 받고 원자에서 잠시 분리됐던 전자가 분자와 다시 충돌할 때 전자와 결합하는 원자의 진동 순간을 초고속 카메라로 포착한 것이다.

전자가 분자와 충돌하면 연못의 물결처럼 파문이 일면서 빛 에너지가 발생하는 데 이 순간 초고속 영상센서가 해당 원자의 움직임을 촬영할 수 있었다.

이번 연구는 산소와 질소 분자를 통해 이뤄졌지만, 앞으로 의약품 디자인 등 다양한 분야에서 응용될 수 있을 전망이다.

디마우로 교수는 "이번 성과는 앞으로 개별 원자 연구에 활용될 수 있다"며 "단백질 같은 훨씬 더 복잡한 분자에 적용한다면 과학계에 미치는 영향은 엄청날 것"이 라고 말했다.

이번 연구에 앞서 유럽입자물리연구소(CERN)는 지난해 세계 최초로 반수소 형태의 반물질 원자를 포착해 조작하는 성과를 올렸다.

당시 실험은 거대강입자가속기(LHC)를 이용해 반수소 원자 6천개를 만들고 이들 중 일부를 1천 초 정도 가두는 방식으로 진행됐다. 반수소는 수소의 반물질 형태로 전자와 양성자 대신 양전자와 반양성자를 지닌 반물질을 말한다.

과학자들은 우주 어딘가에 반물질로만 이뤄진 별이나 은하계가 존재할 것으로 보고 있다. 반물질의 특성을 규명하면 이 같은 우주 진화의 수수께끼를 풀 수 있을 것이라는 기대다.