時空限界化学センター

時空限界化学センター（CaSTLセンター）は、 国立科学財団^[1] 化学イノベーションセンターです。^[2]

CaSTLセンターは、2008年に国立科学財団とカリフォルニア大学アーバイン校との協力協定により設立されました。 ^{[3]カリフォルニア大学アーバイン校の化学教授である} Vartkess Ara Apkarianがセンター長を務めています。^{[4] [5]}センターの著名なメンバーには、Richard Van Duyne、^[6] Hrvoje Petek、Wilson Ho、H. Kumar Wickramasinghe、George Schatz、Eric Potma、Lasse Jensen、Matt Law、Nien-Hui Ge、Jennifer Shumaker-Parry、Ruqian Wuなどのナノサイエンスの研究者が含まれます。

CaSTLセンターの使命は、「実際の空間と時間で単一の化学イベントを調査するための重要な科学技術を開発すること」です。^[7] CaSTLの研究者は、この目標を達成するために、化学者の顕微鏡であるChemiscope ^[8]と呼ばれる新しいツールを提案し、開発しました。

CaSTLの研究者らは、サブナノメートルの空間分解能で静電場と電荷分布を画像化する実験的・理論的ツールを開発した。^{[5]彼らは、マイクロ}エレクトロメカニカルシステム（SMEMS）の小型化における最初の単一分子限界を実証した。 ^[9]彼らは、先端に付着した単一の一酸化炭素分子の振動が力センサーとして機能し、振動が先端増強ラマン分光法によって光学的に読み取られる電気-機械力変換器として動作できることを実証した。この発見により、研究者は分子内の電場、静電容量、伝導性にアクセスできるようになり、分子エレクトロニクスから触媒化学に至るまでの分野に影響を与えることになる。

分子の内部振動は、反応性などの化学反応を決定する構造変化を決定します。Vartkess Ara Apkarian 率いる CaSTL チームは、原子に閉じ込められた光を使用して、銅表面上の単一のコバルトテトラフェニルポルフィリン分子の振動の通常モードを測定しました。 ^[10]この研究では、チップ増強ラマン分光法の一種を使用して、単一分子内の振動スペクトルを測定しました。化学者は、赤外分光法を含むさまざまなツールを使用して分子の振動を測定しますが、単一分子の通常モードを測定することは困難でした。これは、原子レベルの解像度を持つ顕微鏡では、光学回折限界よりも約 3 桁高い倍率が必要になるためです。^{[11] [12]}

CaSTLセンターは、単分子化学に関するシンポジウム、ワークショップ、サマースクールなどの科学イベントをいくつか開催しました。その中でも注目すべきは、2018年の分子ビデオグラフィーに関するテルライドワークショップ^{[13]と、2019年}アメリカ化学会秋季大会での「実空間と時間における化学に向けて」をテーマにしたシンポジウムです。

Bond Breakerという教育用ビデオゲームは、CaSTLの科学者がTestTubeGamesと共同で開発したもので、プレイヤーは一連の問題を解くことで光と物質の相互作用を学びます。このゲームは非常に人気となり、Scientific Americanの表紙^[14]に掲載されました。このゲームは現在、世界中のいくつかのゲームプラットフォームで利用できます。このゲームの教室バージョンであるBond Breaker - Classroom Editionは、次世代科学標準^[15]に基づいており、2019年にリリースされました。このビデオゲームは、一連のゲームレベル、アニメーション、クイズ、NGSSレッスンプランで構成されています。このゲームのキャラクターは、STEM分野における多様性と公平性を促進するために選ばれました。

CaSTLの科学者たちは、「原子とは何か、そして私たちはどのように知るのか？」^[16] 、 「原子は何でできているのか？」^[17]、「分子とは何か？」^[18]、「ウイルスを見る方法」^[19]など、ナノサイエンスの基本概念を一般大衆に説明する一連の科学アニメーションの開発に協力しました。

CaSTL の科学者は、アルバニー州立大学と提携し、カリフォルニア大学学長室の支援を受けて、少数派の学部生に夏季研究体験を提供しました。このプログラムは後に、ハンプトン大学、タスキーギ大学など、 歴史的に黒人が多く通う他の大学機関の参加も集めました。