بدأ العلماء باستخدام أشعة الليزر لكسر الروابط بين الذرات في جزيء معين بشكل انتقائي دون الإضرار بالروابط الكيميائية الأخرى
يمكن أن يكون الانفصال إجراءً بناءًا في بعض الأحيان. عندما يتعلق الأمر بالكيمياء، فإن الانهيار الصحيح لجزيء واحد قد يخلق منتجات مرغوبة ذات قيمة اقتصادية كبيرة. إلى جانب الطرق التقليدية والروتينية لإجراء التفاعلات الكيميائية، يحاول العديد من العلماء، في أنحاء مختلفة من العالم، استخدام أشعة الليزر لكسر الروابط بين الذرات في جزيء معين بشكل انتقائي دون الإضرار بالروابط الكيميائية الأخرى. يتعلق الأمر بتطوير نوع من "إزميل" الضوء، والذي يتم تنشيطه في ومضات قصيرة. ويمكن لسلسلة من هذه الومضات أن تثير جزيئا ما، أو جزءا منه، وتشكل شكله عندما يعود تدريجيا إلى حالته غير المثارة. وقد تم إثبات هذه العملية من قبل، وإن كانت بكفاءة منخفضة نسبياً. ومنذ ذلك الحين، تم إجراء العديد من الدراسات لتحسين كفاءة العملية.
ونفذ العلماء في جامعة برينستون طريقة "يتعلم" فيها الليزر ويقوم بنوع من "الاختيار الطبيعي" بين سلسلة عشوائية من الومضات، لتتمكن السلسلة التي حققت كفاءة أكبر من البقاء على قيد الحياة وتستمر إلى المرحلة التالية، حيث تتنافس مرة أخرى على مكانها. تسمى خوارزميات الكمبيوتر التي تقوم بحسابات هذا "الانتقاء الطبيعي" بالخوارزميات التطورية.
والمتغيرات الرئيسية التي تم فحصها في عملية الاختيار هذه هي وقت وتواتر شعاع الليزر، مما يحافظ على نوع من العلاقة بين الزوجين الذين يكمل كل منهما الآخر. ويقول البروفيسور ديفيد تينور، من قسم الفيزياء الكيميائية في معهد وايزمان للعلوم، إن العلاقة الرياضية بين الزمن وتردد شعاع الليزر تشبه العلاقة الرياضية بين شركاء آخرين في نظرية الكم: الفضاء والزخم. "هذا التشابه"، كما يقول، "أثار إمكانية إنشاء نوع من الشبكة في الفضاء، في كل عقدة يوجد "جرس غاوس"" (موقع العقد سيخلق بنية كاملة، وإن كانت محدودة، أو قاعدة). يمثل كل من "أجراس غاوس" الموجودة في الشبكة خصائص وميض ليزر واحد، كما تمثل جميعها معًا خصائص سلسلة من الومضات التي يمكن وصفها بأنها نوع من "مفتاح الضوء" الفريد المناسب للكسر فقط. ذات رابطة كيميائية محددة، ولا تضر بالروابط الأخرى.
تقوم مجموعتان من العلماء في ألمانيا بإجراء تجارب بناءً على الأعمال النظرية للبروفيسور تينور: البروفيسور غوستاف جربر من جامعة فورتسبيرغ والبروفيسور توبياس بريكسنر من نفس الجامعة. أظهر جربر وبريكسنر (الذي كان آنذاك طالبًا باحثًا في مجموعة جربر) لأول مرة استخدام "الليزر التعليمي" للتحلل العملي للجزيئات. يقول البروفيسور تينور إن القدرة على الفحص الدقيق لخصائص كل من الومضات التي تشكل "مفتاح الضوء" قد تساعد في تصميم "مفاتيح" فعالة بشكل خاص يمكن استخدامها كأدوات قوية في الصناعة الكيميائية المستقبلية.
باختصار: السؤال: هل يمكن لنظام الليزر أن يتعلم؟
النتائج: ساهم علماء المعهد في تحسين تطوري في كفاءة شعاع الليزر في التحكم في التفاعلات الكيميائية.
أشعة الليزر
يتم إنشاء شعاع الليزر عندما يتم إثارة الذرات (من خلال الإشعاع الضوئي أو من خلال تيار كهربائي)، ونتيجة لذلك تنتقل إلى مستوى طاقة أعلى، ثم "تتراجع" أثناء انبعاث الطاقة المخزنة فيها أثناء عملية الإثارة، في شكل الفوتونات، وهي جسيمات ضوئية. ويتميز الضوء المنبعث من ذرات المادة المثارة بخاصيتين بارزتين. الخاصية الأولى هي الطول الموجي الذي تحدده الخصائص الفيزيائية للذرة المنبعثة (كل مادة تبعث موجات ضوئية في نطاقها الفريد). الميزة الأخرى يتم التعبير عنها في حقيقة أن موجات الضوء المنبعثة بهذه الطريقة تكون متوازية مع بعضها البعض. هذه هي الطريقة التي يتم بها إنشاء شعاع الليزر الذي يمكن استخدامه للأغراض الصناعية والطبية.
