Fysiker vid University of Bath har upptäckt hur man manipulerar och kontrollerar enskilda molekyler under en miljondels miljarddels sekund, efter att ha fascinerats av några till synes udda resultat.

Deras nya teknik är det mest känsliga sättet att kontrollera en kemisk reaktion på några av de minsta skalor forskare kan arbeta - på en enda molekylnivå. Det kommer att öppna upp forskningsmöjligheter inom områdena nanovetenskap och nanofysik.

Ett experiment med den yttersta gränsen för nanovetenskap som kallas "STM (scanning tunneling microscope) molecular manipulation" används ofta för att observera hur enskilda molekyler reagerar när de exciteras genom att lägga till en enda elektron.

En traditionell kemist kan använda ett provrör och en Bunsen-brännare för att driva en reaktion; här använde de ett mikroskop och dess elektriska ström för att driva reaktionen. Strömmen är så liten att den mer liknar serier av enskilda elektroner som träffar målmolekylen. Men hela detta experiment är en passiv process- när elektronen tillsätts till molekylforskarna observerar bara vad som händer.

Men när doktor Kristina Rusimova granskade sina data från labbet när hon var på semester, hon upptäckte några avvikande resultat i ett standardförsök, som vid vidare utredning inte kunde förklaras bort. När den elektriska strömmen skruvas upp, reaktionerna går alltid snabbare, förutom här gjorde det inte det.

Dr Rusimova och kollegor tillbringade månader med att tänka på möjliga förklaringar för att avslöja effekten, och upprepa experimenten, men insåg så småningom att de hade hittat ett sätt att kontrollera experiment med enmolekylär i en oöverträffad grad, i ny forskning publicerad i Vetenskap .

Teamet upptäckte att genom att hålla spetsen av deras mikroskop extremt nära molekylen som studeras, inom 600-800 billioner av en meter, varaktigheten av hur länge elektronen fastnar på målmolekylen kan minskas med över två storleksordningar, och så den resulterande reaktionen, här driver enskilda toluenmolekyler att lyfta av (desorbera) från en kiselyta, kan kontrolleras.

Teamet tror att detta beror på att spetsen och molekylen samverkar för att skapa ett nytt kvanttillstånd, som erbjuder en ny kanal för elektronen att hoppa till från molekylen, på så sätt minskar den tid som elektronen spenderar på molekylen och på så sätt minskar risken för att elektronen ska orsaka en reaktion.

När det är som mest känsligt betyder det att reaktionstiden kan kontrolleras för dess naturliga gräns till 10 femtosekunder ner till bara 0,1 femtosekunder.

Dr Rusimova sa:"Detta var data från ett helt standardförsök vi gjorde för vi trodde att vi hade uttömt alla intressanta saker - det här var bara en sista kontroll. Men mina data såg" fel "ut - alla grafer skulle gå upp och min gick ner."

Dr Peter Sloan, huvudförfattare till studien, lade till:"Om detta var korrekt, vi hade en helt ny effekt, men vi visste att om vi skulle hävda något så slående att vi behövde göra lite arbete för att se till att det är verkligt och inte till falska positiva. "

"Jag tror alltid att vårt mikroskop är lite som Millennium Falcon, inte för elegant, hålls ihop av de som driver det, men helt fantastiskt på vad det gör. Mellan Kristina och Ph.D. studenten Rebecca Purkiss nivån på den rumsliga kontrollen de hade över mikroskopet var nyckeln till att låsa upp denna nya fysik. "

Dr Sloan tillade:"Det grundläggande syftet med detta arbete är att utveckla verktygen för att vi ska kunna kontrollera materien vid denna extrema gräns. Var det bryter kemiska bindningar som naturen inte riktigt vill att du bryter, eller producera molekylära arkitekturer som är termodynamiskt förbjudna. Vårt arbete erbjuder en ny väg för att kontrollera enskilda molekyler och deras reaktion. I huvudsak har vi en ny urtavla som vi kan ställa in när vi kör vårt experiment. Den extrema karaktären av att arbeta på dessa skalor gör det svårt att göra, men vi har extrem upplösning och reproducerbarhet med denna teknik. "

Teamet hoppas att deras nya teknik kommer att öppna dörren för massor av nya experiment och upptäckter på nanoskala, tack vare de alternativ som den ger för första gången.