بين الصحوة والانحلال

الكيمياء هي عمل مرهق. تتضمن التفاعلات الكيميائية المعقدة عادةً العديد من الخطوات، وغالبًا ما تنتج نفايات سامة.

الكيمياء هي عمل مرهق. تتضمن التفاعلات الكيميائية المعقدة عادةً العديد من الخطوات، وغالبًا ما تنتج نفايات سامة. لإنتاج مادة معينة من مواد أخرى، عادة ما يكون من الضروري خلط المواد الأولية، وتوفير الطاقة، وإضافة المحفزات. الكثير من العمل. لا عجب أن الكيميائيين لديهم حلم: أنهم يأملون يومًا ما في إجراء تفاعلات كيميائية باستخدام شعاع الليزر، والذي سيستهدف جزيءًا معينًا ويجعله يكسر روابط كيميائية معينة بطريقة انتقائية. سهلة وحادة وسلسة وبسيطة.

على الرغم من خيبة أمل الكيميائيين وغيرهم من الناس، فإن هذه الطريقة لن تنجح في تحويل الرصاص إلى ذهب (لهذا من الضروري تغيير نوى الذرات، وهو أمر لا يمكن القيام به باستخدام شعاع الليزر)، ولكنها قد تقدم مزايا كبيرة في مجال زيادة كفاءة التفاعلات الكيميائية المختلفة، وإجرائها بطرق نظيفة ورخيصة. على سبيل المثال، يتم اليوم إنتاج أدوية مختلفة من خلال عمليات كيميائية عضوية معقدة تتضمن عشرات التحولات. وباستخدام الليزر، قد يكون من الممكن إنتاج نفس الأدوية في المستقبل بعمليات أبسط وأكثر كفاءة.

ويرى البروفيسور ديفيد تنور، من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء في معهد وايزمان للعلوم، أن هذه الطريقة قد تدخل الاستخدام الصناعي في المستقبل. وينبع تفاؤله من وتيرة الأبحاث السريعة في المختبرات الرائدة في العالم، بما في ذلك مختبره في معهد وايزمان. ومؤخراً، نجح البروفيسور تنور والطالب الباحث ديفيد أفيشر، في عملهما النظري، في تطوير طريقة منهجية لإعادة إنتاج التغيرات الهندسية التي تحدث في الجزيء بعد دخوله في حالة "الإثارة"، نتيجة التعرض للإشعاع. في هذه الحالة، تبعث الجزيئات الضوء في وقت معين وعند طول موجي معين. وفي مقال نشر في المجلة العلمية Physical Review Letters، وصف العلماء كيف قاموا بتحليل الضوء المنبعث، واستخدموا بياناته لإعادة بناء العمليات التي حدثت في الجزيء أثناء الاستيقاظ.

عندما تستيقظ الجزيئات، تحدث فيها العديد من التغييرات: في بعض الأحيان تتمدد أو تلتوي، وقد تنكسر بعض الروابط الكيميائية. إن إعادة البناء التي تمت في معهد وايزمان، والمبنية على سلسلة من التحولات الرياضية، تكشف التسلسل الدقيق للأحداث التي حدثت في جزيء الليثيوم المكون من ذرتين، منذ استيقاظه حتى اضمحلاله. ويخطط العلماء الآن لإجراء عملية إعادة بناء مماثلة باستخدام جزيئات أكبر، مكونة من ثلاث ذرات أو أكثر.

توفر عمليات إعادة البناء من هذا النوع معلومات أساسية حول التغييرات التي يسببها الضوء في بنية الجزيء. يمكن أن تشير هذه المعلومات إلى طريقة تغيير هذه الاتصالات حسب الحاجة. على سبيل المثال، إذا عرفنا الروابط التي تم إضعافها أو كسرها نتيجة للاستيقاظ، فسيكون من الممكن جعل عملية الكسر أكثر كفاءة وانتقائية باستخدام ومضات الليزر. إن الأفكار الجديدة التي تم الحصول عليها في هذه الدراسة قد تؤدي أيضًا إلى تقدم دراسة المادة في الغلاف الجوي والستراتوسفير، حيث يتم العثور على العديد من الجزيئات المحفزة نتيجة التعرض لأشعة الشمس.

الحذر، الفخ

تعد الكفاءة إحدى العقبات الرئيسية أمام التحكم في التفاعلات الكيميائية باستخدام الليزر. إذا افترضنا أن التحكم فعال بنسبة 50% فقط - أي أن نصف ناتج التفاعل فقط هو المنتج المطلوب - فإن استخدام الطريقة سيكون محدودًا. والهدف هو الوصول إلى الكفاءة المثلى، أقرب ما يمكن إلى 100%.

حتى الآن، يعتقد العلماء أن هذه الكفاءة العالية هي مجرد مسألة مثابرة: إذا واصلنا تحسين دقة التحكم بالليزر بطريقة دورية (تكرارية)، فسنصل في النهاية إلى المستوى الأمثل من الكفاءة. ولكن كما نُشر في مجلة Physical Review Letters، أظهر البروفيسور ديفيد تينور وشريكه البحثي الدكتور ألكسندر بيتشان مؤخرًا أن الأمر ليس كذلك. اتضح أنه في بعض الحالات تصل عملية التحسين إلى طريق مسدود: تزداد الكفاءة لفترة من الوقت، لكنها تتوقف عند مستوى أقل بكثير من 100٪. وهذا يعني أنه في مثل هذه الحالات يؤدي التقدم الأولي إلى "الفخ": من المستحيل الاستمرار في تحسين الكفاءة، وليس هناك خيار سوى ترك العملية والبدء من جديد من نقطة بداية مختلفة.

أما الخبر السيئ فهو أن المزالق المكتشفة مؤخراً قد تجعل من الصعب الوصول إلى المثالية. والخبر السار هو أن الوعي بالمزالق يمكن أن يساعد العلماء على تجنبها، على سبيل المثال من خلال تشديد معايير المعلمات الأولية للعملية الدورية.