Labordy: defnyddiodd yr arbrofion ddull magnetig o reoli cyflwr cwantwm moleciwl ychydig cyn iddo wrthdaro ag arwyneb, er mwyn newid y tebygolrwydd y bydd cylchdroi'r moleciwl yn dod i ben ar ôl y gwrthdrawiad.
Mae ymchwilwyr Abertawe wedi datblygu dull newydd i atal moleciwl rhag cylchdroi drwy ddefnyddio ynni isel iawn, gan daflu goleuni newydd ar ryngweithiadau rhwng moleciwlau ac arwynebau.
Er eu bod hwy'n anweledig, rydym yn cael ein hamgylchynu gan foleciwlau sy'n hedfan heibio, gan gylchdroi a gwrthdaro'n barhaus â'i gilydd ac arwynebau.
Mae rhyngweithiad moleciwlau yn ystod y cam nwy ag arwynebau solet yn llywodraethu amrywiaeth eang o brosesau cemeg arwyneb. Er enghraifft, gwresogi llong ofod sy'n dychwelyd i'r atmosffer, ac adweithiau ar ronynnau iâ sy'n pennu cyfansoddiad ein hatmosffer.
Er bod y moleciwlau'n cylchdroi'n rhydd yn ystod y cam nwy, pan fyddant yn agosáu at arwyneb, mae hyn yn newid. Ar un llaw, gall gwrthdrawiad newid y broses o gylchdroi. Ar y llaw arall, gall y symudiad cylchdro hefyd newid y rhyngweithiad â'r arwyneb, gan benderfynu, er enghraifft, a fydd y moleciwl yn adlamu yn ôl neu'n glynu wrth yr arwyneb.
Mae deall a rheoli prosesau o'r fath ar lefel ficrosgopig yn rhan sylfaenol o ddeall cemeg arwynebau.
Cofnodwyd cam pwysig ymlaen yn ddiweddar gan ymchwilwyr Abertawe o'r grŵp deinameg arwynebau yn yr Adran Gemeg, dan arweiniad yr Athro Gil Alexandrowicz. Gwnaethant lwyddo i reoli'r tebygolrwydd y bydd cylchdroi moleciwl yn dod i ben ar ôl iddo wrthdaro ag arwyneb.
Dros y blynyddoedd, mae gwyddonwyr wedi datblygu technegau ar gyfer rheoli cylchdroeon, sy'n ymwneud â tharfu ar foleciwlau gyda ffotonau neu electronau sy'n cyflenwi ynni i'r moleciwlau neu'n tynnu ynni o'r moleciwlau er mwyn gwneud iawn am gynyddu neu leihau'r ynni cylchdro.
Yr hyn sy'n wahanol am waith aelodau'r tîm o Abertawe yw y gwnaethant arddangos ei bod hi'n bosib atal moleciwl rhag cylchdroi heb ddefnyddio ffotonau nac electronau, a heb orfod defnyddio swm cyfatebol o ynni er mwyn achosi'r newidiadau.
Yn lle hynny, defnyddiodd yr arbrofion, a gynhaliwyd gan Dr Helen Chadwick, ddull magnetig o reoli cyflwr cwantwm moleciwl ychydig cyn iddo wrthdaro ag arwyneb, er mwyn newid y tebygolrwydd y bydd cylchdroi'r moleciwl yn dod i ben ar ôl y gwrthdrawiad.
Caiff ynni cylchdro cymharol fawr y moleciwlau sy'n cyrraedd ei drosi yn ystod y gwrthdrawiad yn ynni cinetig y moleciwlau gwasgaredig nad ydynt yn cylchdroi. Mae'r ynni magnetig, sydd biliwn o weithiau'n llai, yn rheoli'r broses ac yn ei gwneud yn fwy tebygol neu'n llai tebygol y bydd yr ynni'n cael ei drosi yn y modd hwn.
Mae'r broses hon braidd yn debyg i sefyllfa pan na fyddai modd i fosgito bach symud eliffant sydd biliwn o weithiau'n drymach nag ef, ond gallai'r mosgito beri i'r eliffant symud o bosib drwy ei gythruddo.
Ymchwil
Meddai pennaeth y grŵp ymchwil, yr Athro Gil Alexandrowicz o Adran Gemeg Prifysgol Abertawe:
“Mae ein hastudiaeth yn cyfrannu at ddealltwriaeth o ryngweithiadau rhwng moleciwlau ac arwynebau. Mae'r damcaniaethwyr ymhlith ein cydweithwyr yn gwella dulliau modelu ar gyfer cemeg arwyneb yn barhaus, ond ni allai hyd yn oed y dulliau mwyaf cyfoes gynnig esboniad llawn am y canlyniadau a fesurwyd gennym, gan eu gwneud nhw'n feincnod pwysig at ddibenion datblygu damcaniaethau ymhellach.
“Rwy'n credu bod ein canlyniadau hefyd yn cwestiynu rhai o ragdybiaethau poblogaidd y gymuned wyddonol. Mae llawer o arbrofion rheoli cwantwm modern yn cael eu cynnal ar dymereddau isel iawn. Y syniad yw os nad ydyn nhw'n cael eu hoeri'n ddigonol, bydd yr effeithiau hap o ganlyniad i ynni thermol yn gorlwytho'r ffenomena cwantwm sy'n cael eu hastudio neu'u rheoli.
“Er bod hyn yn sicr yn wir mewn llawer o achosion, mae ein harbrofion yn enghraifft ddiddorol i'r gwrthwyneb. Rydyn ni'n rheoli'r cyflwr cwantwm ar raddfa pico-eV, ond mae'r holl fathau eraill o ynni, gan gynnwys yr ynni cylchdro ac, yn bwysicach hynny, ynni thermol y pelydryn moleciwlaidd a'r arwyneb naw gwaith yn fwy. Serch hynny, nid yw hyn yn ein hatal rhag rheoli'r cyflwr cwantwm a mesur ei effaith ar gylchdroeon moleciwlaidd.”
Enw'r papur ymchwil yw: “Stopping molecular rotation using coherent ultra-low-energy magnetic manipulations”. Fe'i cyhoeddwyd yn Nature Communications.
Adran Gemeg Prifysgol Abertawe