Den kallaste kemiska reaktionen i det kända universum ägde rum i vad som verkar vara en kaotisk röra av lasrar. Utseendet bedrar:Djupt inom det mödosamt organiserade kaoset, i temperaturer miljoner gånger kallare än det interstellära rymden, Kang-Kuen Ni uppnådde en prestation av precision. Tvingar två ultrakylda molekyler att mötas och reagera, hon bröt och bildade de kallaste bindningarna i molekylära kopplingars historia.

"Förmodligen de närmaste åren, vi är det enda labbet som kan göra detta, "sa Ming-Guang Hu, en postdoktor i Ni-labbet och första författare på deras papper som publicerades idag i Vetenskap . Fem år sedan, Ni, Morris Kahn docent i kemi och kemisk biologi och en pionjär inom ultrakall kemi, bestämde sig för att bygga en ny apparat som skulle kunna uppnå de lägsta temperaturkemiska reaktionerna av någon tillgänglig teknik. Men de kunde inte vara säkra på att deras invecklade teknik skulle fungera.

Nu, de utförde inte bara den kallaste reaktionen ännu, de upptäckte att deras nya apparat kan göra något även om de inte förutspådde. I en sådan intensiv kyla - 500 nanokelvin eller bara några miljondelar av en grad över den absoluta nollan - bromsade deras molekyler upp till sådana glaciala hastigheter, Ni och hennes team kunde se något som ingen har kunnat se tidigare:ögonblicket när två molekyler möts för att bilda två nya molekyler. I huvudsak, de fångade en kemisk reaktion i sin mest kritiska och svårfångade handling.

Kemiska reaktioner är ansvariga för bokstavligen allt:andning, matlagning, smälta, skapa energi, läkemedel, och hushållsprodukter som tvål. Så, Att förstå hur de fungerar på en grundläggande nivå kan hjälpa forskare att utforma kombinationer som världen aldrig har sett. Med ett nästan oändligt antal nya kombinationer möjliga, dessa nya molekyler kan ha oändliga tillämpningar från effektivare energiproduktion till nya material som mögelsäkra väggar och ännu bättre byggstenar för kvantdatorer.

I hennes tidigare arbete, Ni använde kallare och kallare temperaturer för att arbeta med denna kemiska magi:smide molekyler från atomer som annars aldrig skulle reagera. Kyld till sådana ytterligheter, atomer och molekyler går långsamt till en kvantkrypning, sitt lägsta möjliga energitillstånd. Där, Ni kan manipulera molekylära interaktioner med yttersta precision. Men till och med hon kunde bara se början på sina reaktioner:två molekyler går in, men vad då? Det som hände i mitten och slutet var ett svart hål som bara teorier kunde försöka förklara.

Kemiska reaktioner sker på bara miljondelar av en miljarddels sekund, mer känd i den vetenskapliga världen som femtosekunder. Inte ens dagens mest sofistikerade teknik kan fånga något så kortlivat, även om vissa kommer nära. Under de senaste tjugo åren, forskare har använt ultrasnabba lasrar som snabbkamera, ta snabba bilder av reaktioner när de inträffar. Men de kan inte fånga hela bilden. "För det mesta, "Ni sa, "du ser bara att reaktanterna försvinner och produkterna dyker upp på en tid som du kan mäta. Det fanns ingen direkt mätning av vad som faktiskt hände i dessa kemiska reaktioner." Tills nu.

Ni:s ultrakylda temperaturer tvingar reaktioner till en relativt dämpad hastighet. "Eftersom [molekylerna] är så kalla, "Ni sa, "nu har vi typ en flaskhalseffekt." När hon och hennes team reagerade på två kaliumrubidiummolekyler – valda för deras böjlighet – tvingade de ultrakalla temperaturerna molekylerna att dröja kvar i mellanstadiet i mikrosekunder. Mikrosekunder – bara miljondelar av en sekund – kan verka korta, men det är miljontals gånger längre än vanligt och tillräckligt länge för att Ni och hennes team ska undersöka fasen när bindningar bryts och bildas, i huvudsak, hur en molekyl förvandlas till en annan.

Med denna intima vision, Ni sa att hon och hennes team kan testa teorier som förutsäger vad som händer i en reaktions svarta hål för att bekräfta om de har rätt. Sedan, hennes team kan skapa nya teorier, använda faktiska data för att mer exakt förutsäga vad som händer under andra kemiska reaktioner, även de som äger rum i det mystiska kvantområdet.

Redan, teamet undersöker vad mer de kan lära sig i sin ultrakalla testbädd. Nästa, till exempel, de kan manipulera reaktanterna, spännande dem innan de reagerar för att se hur deras ökade energi påverkar resultatet. Eller, de kan till och med påverka reaktionen när den inträffar, knuffar den ena eller den andra molekylen. "Med vår kontrollerbarhet, det här tidsfönstret är tillräckligt långt, vi kan undersöka, " sa Hu. "Nu, med denna apparat, vi kan tänka på detta. Utan denna teknik, utan detta papper, vi kan inte ens tänka på det här."