Центр химии на пределе пространства-времени или CaSTL-центр является Центром химических инноваций Национального научного фонда [1] . [2]
Центр CaSTL был создан в результате соглашения о сотрудничестве между Национальным научным фондом и Калифорнийским университетом в Ирвайне в 2008 году. [3] Директором центра является Варткесс Ара Апкарян , профессор химии Калифорнийского университета в Ирвайне. [4] [5] Среди известных членов центра — исследователи в области нанонауки, такие как Ричард Ван Дуйн, [6] Хрвое Петек , Уилсон Хо, Х. Кумар Викрамасингхе , Джордж Шатц , Эрик Потма, Лассе Йенсен, Мэтт Лоу, Ниен-Хуэй Ге, Дженнифер Шумакер-Парри, Рукиан Ву.
Миссия центра CaSTL — «развивать важнейшую науку и технологию для исследования отдельных химических событий в реальном пространстве и времени». [7] Исследователи CaSTL предложили и разработали новый инструмент под названием Chemiscope, [8] химический микроскоп , для достижения этой цели.
Исследователи CaSTL разработали экспериментальные и теоретические инструменты для визуализации электростатических полей и распределений зарядов с субнанометровым пространственным разрешением . [5] Они продемонстрировали первый предел одной молекулы в миниатюризации микроэлектромеханических систем (SMEMS). [9] Они продемонстрировали, что вибрации одной молекулы оксида углерода, прикрепленной к наконечнику , могут служить датчиком силы и могут действовать как преобразователь электрической силы в механическую, где вибрации считываются оптически с помощью рамановской спектроскопии, усиленной наконечником . Это открытие позволило исследователям получить доступ к электрическим полям , емкости и проводимости внутри молекул, что повлияет на области от молекулярной электроники до каталитической химии.
Внутренние колебания молекул определяют структурные преобразования, которые определяют химию, такую как реакционная способность. Группа CaSTL под руководством Варткесса Ара Апкариана измерила нормальные колебательные моды одной молекулы кобальт-тетрафенилпорфирина на поверхности меди с атомарно ограниченным светом. [10] В этом исследовании использовался вариант спектроскопии Рамана с усилением наконечником для измерения колебательных спектров внутри одной молекулы. Химики используют различные инструменты, включая инфракрасную спектроскопию , для измерения колебаний молекул, однако измерение нормальных мод одной молекулы было неуловимым, поскольку микроскопия с атомистическим разрешением требует увеличения почти на три порядка выше, чем предел оптической дифракции . [11] [12]
Центр CaSTL организовал несколько научных мероприятий, таких как симпозиумы, семинары, летние школы по химии отдельных молекул. Среди них следует отметить семинар Telluride Workshop on Molecular Videography 2018 [13] и симпозиум на тему « К химии в реальном пространстве и времени» на осеннем собрании Американского химического общества 2019 года .
Образовательная видеоигра под названием Bond Breaker была разработана учеными CaSTL в сотрудничестве с TestTubeGames, в которой игроки знакомятся с взаимодействием света и материи с помощью ряда задач, которые они должны решить. Эта игра стала очень популярной и представлена на первой странице [14] Scientific American . В настоящее время эта игра доступна на нескольких игровых платформах по всему миру. Классная версия игры, Bond Breaker - Classroom Edition, [15] основанная на научных стандартах следующего поколения , была выпущена в 2019 году. Эта видеоигра состоит из серии игровых уровней, анимаций, викторин и планов уроков NGSS . Персонажи в этой игре были выбраны для продвижения разнообразия и равенства в дисциплинах STEM.
Ученые CaSTL помогли разработать серию научных анимаций, таких как «Что такое атом и как мы это узнаем?», [16] «Из чего состоят атомы?», [17] «Что такое молекула?», [18] и «Как увидеть вирус?», [19], объясняющих основные концепции нанонауки широкой публике.
Ученые CaSTL сотрудничали с Albany State University , чтобы предоставить Summer Research Experience недостаточно представленным студентам бакалавриата при поддержке University of California, Office of the President . Эта программа позже привлекла участие из других исторически черных колледжей и университетов, таких как Hampton University, Tuskegee University.