Hur molekylära frisbees kan uppmuntra kärnkraftspridning

Alla som har lekt med en frisbee kommer att ha en intuitiv uppfattning om hur vinkeln du kastar dem i avgör vägen de tar.

När frisbees blir mindre förändras dock fysiken. I en liten skala blir luften tjockare som sirap och trögheten börjar spela en mycket mindre roll. Så det är lätt att tro att det finns en grundläggande gräns för hur liten du kan göra en frisbee.

Inte riktigt, säger Johannes Floss och kompisar vid The Weizmann Institute of Science i Israel. Det är faktiskt ganska enkelt att kontrollera banan för en snurrande molekyl precis som en frisbee.

Under de senaste åren har ett antal tekniker dykt upp för att sätta molekyler i en gas som snurrar med sina axlar exakt inriktade, som en tredimensionell uppsättning av flytande toppar. Dessa tekniker zappar alla molekylerna med en noggrant förberedd laserpuls för att få dem att rotera på ett visst sätt.

Men hur förvandlar man de här snurrorna till frisbees? När allt kommer omkring är frisbees rörelse i huvudsak resultatet av interaktionen mellan den snurrande kroppen och luften, men aerodynamik kan inte spela någon roll på molekylär nivå.

Svaret säger att Floss och co är att avfyra de snurrande molekylerna genom ett elektriskt fält som produceras av en annan laser. Förutsatt att fältet har en viss intensitetsgradient, kommer det att spela en roll analogt med luft vid frisbeeflygning. När det händer kommer de snurrande molekylernas lutning att avgöra vilken bana de tar.

Som Floss och co påpekar: En liknande teknik används av frisbeespelare som finjusterar lutningen på den snurrande skivan för att styra den in i ett par väntande händer.

Denna frisbeeteknik ger anmärkningsvärd kontroll över vägen som molekylerna tar. Banan beror på faktorer som fältets styrka, rotationslutningen och molekylens massa.

Detta har viktiga konsekvenser för ett antal nya tekniker, särskilt i områden där jonisering inte kan användas. Till exempel måste molekylär nanotillverkning där små strukturer byggs nästan sten för tegel använda neutrala molekyler eftersom uppbyggnaden av laddning kan förvränga formen eller till och med förhindra konstruktion helt.

Men den kanske viktigaste tillämpningen, åtminstone på kort sikt, kommer att vara isotopseparation. Eftersom banan beror på molekylens massa, kommer tekniken naturligt att separera molekyler som innehåller olika isotoper.

Kärnkraftsforskare kommer att vilja undersöka denna tekniks potential för att separera det mer klyvbara uran 235 från uran 238. Under de senaste åren har fysiker gjort stora framsteg i att separera dessa isotoper med hjälp av lasrar för att selektivt jonisera en isotop samtidigt som de lämnar den andra neutral, vilket gör att de kan separeras med hjälp av ett elektriskt fält.

De konventionella separationsteknikerna förlitar sig på jättecentrifuger som är svåra och dyra att bygga och utgör därför en viktig teknologibarriär som hindrar länder med kärnkraftsambitioner från att tillverka sitt eget höganrikade uran.

Men det finns en växande rädsla för att laserberikning kommer att göra denna process mycket lättare. Och nu finns det en ny teknik som kan göra isotopseparation ännu enklare.

Det gör det lätt att förutsäga att molekylära frisbees kommer att bli i fokus för ett intensivt intresse under de närmaste åren. Men hur mycket vi kommer att få höra om denna framtida utveckling är mycket svårare att säga.

Ref: arxiv.org/abs/1010.0887 : Molecular Frisbee: Motion of Spinning Molecules in Inhomogenous Fields

Dölj