Enam kui sajandi jooksul on teadlased tuginenud „ergoodsuse teoreemile“, seletamaks hajuvusprotsesse, näiteks molekulide liikumisel vedelikus. Samas pole teadlased olnud võimelised katseliselt tõestama teoreemi keskset tõekspidamist – asjaolu, et üksiku molekuli juhusliku liikumise korduvate mõõtmiste keskmine on sama kui terve rühma seesuguste molekulide juhuslik liikumine. Nüüd mõõtsid aga uurijad Saksamaal mõlemaid parameetreid samas süsteemis, kinnitades esmakordselt katseliselt ergoodsuse teoreemi kehtimist difusiooniprotsessis.

See ühendpilt illustreerib mõlema meetodi kasutamist värvimolekulide jälgimiseks läbi nanopoorse aine kanalite (hall taust). Üksikuid molekule (kera ja pulga kujundid) on võimalik jälguda valguse abil (oranž vool), mida nad kiirgavad. Samas mõõdetakse kõikide värvimolekulide kollektiivset liikumist NMR’i abil, mis keskendub molekulide magneetilistele impulssidele (sinised nooled). Pilt: Christoph Bräuchle
Eksperimendid arendati välja Christoph Bräuchle ja Müncheni Ludwig-Maximilians’ Ülikooli töö baasil, kes töötasid välja tehnika üksikute alkoholis lahustunud värvimolekulide jälgimiseks, mis läksid lahusena läbi nanopoorse aine. Seesugune hajumine on enam kui akadeemiline huviobjekt, kuna see mängib olulist rolli mitmetes tehnoloogiates, näiteks molekulaarsõelades, katalüüsil ja rohtude toimimisel, kirjutab physicsworld.com.
Valgustäppide asukohad
Kinnitamaks ergoodsuse teoreemi, jälitas Bräuchle meeskond molekuli näidist. Molekul pandi helendama nii, et nad näivad suure võimsusega optilise mikroskoobiga vaadelduna helenduvate täppidena. Kasutades lahuses värvimolekule väga väikeses kontsentratsioonis, kindlustasid uurijad, et iga helendav täpp vastas vaid ühele molekulile. Niisiis, mõõtes punkti heleduse intensiivsuse profiili ja leides selle raskuskeskme, oli Müncheni teadustöö meeskond võimeline määrama värvimolekuli asukoha umbes 5 nanomeetri täpsusega. Seejärel oli fotojäädvustuste abil võimalik jälgida üksikute molekulide liikumist läbi proovilahuse.
Samal ajal kasutas Lepzigi Ülikooli teadustöö meeskond Jörg Kärger’i juhtimisel tuuma magnetresonantsi (nuclear magnetic resonance – NMR) tehnikat, jälgimaks kõigi värvimolekulide diffusiooni sarnases proovilahuses. Impulss-välja gradiendi (pulsed-field-gradient) NMR’i meetod on tundlik vaid kõigi värvimolekulide kollektiivsele liikumisele ja ei võimalda määrata üksikute molekulide asukohta.
Kahe uurimustöö meeskonna tööde võrdlus näitas, et Münchenis mõõdetud üksikute värvimolekulide hajumise mitmete mõõtmiste keskmine oli identne värvimolekulide kollektiivsele hajumisele, mida mõõdeti Leipzigis. Kuna hajumise käigus liiguvad molekulid juhuslikult, kinnitab uurimus ergoodsuse teoreemi.
Vastandlikud tingimused
Bräuliche sõnas teadusuudisteportaalile physicsworld.com, et peamiseks väljakutseks oli süsteemi leidmine, mida oleks võimalik uurida mõlemat tehnikat kasutades. Helendama panemise meetod toimib kõige paremini, kui värvi kontsentratsioon on üliväike ning molekulid liiguvad väga aeglaselt, samas kui NMR mõõtmistel on tarvis palju kõrgemaid kontsentratsioone ja kiiremat liikumist. Kompromissina kasutati kindlat mikropoorset ainet, mis aeglustas molekule ja piiras neid tasapinnale, nii et neid oleks hõlbus mikroskoobi all jälgida.
Nüüd, kui uurijad on suutnud kinnitada ergoodsuse teoreemi, tahaksid nad kasutada seda tehnikat, otsimaks süsteeme, mis ei allu teoreemile. Bräuliche usub, et see võib juhtuda, kui mõned molekulid hajuvad läbi elusrakkude ning võib seega olla olulised ravimite kavandamisel.
Teadusartikkel: ,,Single-Particle and Ensemble Diffusivities—Test of Ergodicity“
Leave a Reply