تمكن الفيزيائيون من التحكم في حركة الإلكترونات في الجزيء

البحث المعني متضمن في مجال الفيزياء الذرية - تتبع الجسيمات على نطاق زمني يصل إلى أتو ثانية (10-18 مليار جزء من مليار جزء من الثانية)

[ترجمة د.نحماني موشيه]
لقد أثبت الفيزيائيون العاملون في مجال الفيزياء النظرية الآن أنه من الممكن متابعة حركة الإلكترونات داخل الجزيئات والتحكم فيها.

البحث المعني يندرج في مجال الفيزياء الذرية - تتبع الجسيمات على نطاق زمني يصل إلى أتو ثانية (مليار من مليار من الثانية، 10-18). ولأول مرة على الإطلاق، تمكن الفيزيائيون من إجراء ملاحظات على نطاق زمني سريع للغاية يبلغ 100 أتوثانية. ويعد هذا الاختراق الباحثين بالسيطرة على حركة الإلكترونات في التفاعلات الكيميائية. تمكن الباحثون، بقيادة الدكتور هانز جاكوب فورنر من المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا (ETH زيورخ)، وبالتعاون مع باحثين من موسكو، من متابعة حركة الإلكترونات داخل الجزيء في الوقت الفعلي، وأثبتوا أن هذه العمليات يمكن بحيث يمكن في المستقبل التحكم بشكل مباشر في تقدم التفاعلات الكيميائية والعمليات البيولوجية للحصول على النتيجة المرجوة. وقد تم نشر نتائج البحث للتو في المجلة العلمية المرموقة Science.

باستخدام أساليب الفيزياء الذرية، يحاول الباحثون متابعة حركة الإلكترونات فائقة السرعة داخل الجزيئات، أو بشكل أكثر دقة، متابعة إعادة تنظيمها داخل أغلفة الإلكترونات (كثافة الإلكترون). وهذه العمليات هي المفتاح لفهم التفاعلات الكيميائية والبيولوجية، في ضوء أن "التشتت الجديد" للإلكترونات هو المسؤول عن تكوين روابط كيميائية جديدة. "خلال البحث تمكنا من ملاحظة حركة الإلكترونات على طول الجزيء الخطي. لقد تمكنا ولأول مرة في التاريخ من رؤية حركة الإلكترونات وكيفية حدوث هذه الحركة بتفاصيل دقيقة. بالإضافة إلى ذلك، تمكنا من إثبات إمكانية التحكم في هذه الحركة، وبالتالي من الممكن نظريًا في الوقت الحالي التحكم في نتائج التفاعلات الكيميائية"، يوضح أحد الباحثين.

كجزء من تجاربهم، استخدم الباحثون جزيئات اليود أسيتيلين (يود أسيتيلين HCCI،) التي يتكون هيكلها من سلاسل ممدودة تحتوي على أربع ذرات فقط - الهيدروجين وذرتي كربون وذرة واحدة من اليود. عند التعرض لنبضات ليزر قوية وسريعة للغاية، يتغير تكوين الغلاف الإلكتروني: يتم تشكيل "ثقب" - مساحة داخل الغلاف تبدأ في التأرجح من أحد طرفي الجزيء إلى الطرف الآخر. ويؤكد الباحث أن هذه الحركة ليست كالحركة بالمعنى التقليدي لحياتنا اليومية، في إطار قوانين الفيزياء الكلاسيكية. "نتيجة للتأين الناتج عن النفق بعد التعرض لمجال ليزر قوي، يظهر تراكب لحالتين كميتين للثقب - وهي حالة تذكرنا بمفارقة قطة شرودنغر، حيث تكون القطة حية وميتة في نفس الوقت؛ في حالة التجميع هذه، قد يكون الثقب على طرفي نقيض من الجزيء في نفس الوقت. احتمالية "إيجاد" الثقب الذي يتغير فيه أحد الأطراف بمرور الوقت، وهذا التغير هو السبب في نتيجة "تجول" الثقب على طول الجزيء. ويوضح الباحث الرئيسي أن الثقب يتحرك من أحد طرفي الجزيء إلى الطرف الآخر، ويبلغ الوقت النموذجي المطلوب لهذه الهجرة حوالي 100 أتوثانية.

ومن خلال تشعيع الجزيئات التي تكون في اتجاه محدد باستخدام أشعة ليزر قوية، تمكن الباحثون من الحصول على أطياف تعكس حالة الأغلفة الإلكترونية في الجزيئات. في هذه التجربة، تمكن الباحثون من الحصول على مجموعة كاملة من البيانات، بما في ذلك التواجد النسبي للتوافقيات المطلوبة لإنتاج ثقب ديناميكي. وكانت مهمة الباحثين هي عزل المعلومات المتعلقة بالديناميكيات من البيانات التي تم الحصول عليها، والتعلم من ذلك كيفية فك رموز الأطياف، تماما كما يستخدم علماء الفيزياء الفلكية تأثير دوبلر لطيف النجم لحساب سرعته. "في الواقع، نحن لا نلاحظ الموقع الدقيق للإلكترونات، بل نلاحظ طيف التوافقيات الذي تم الحصول عليه نتيجة للتفاعل بين أشعة الليزر القوية والجزيئات. وبمساعدة هذه الأطياف التي ترتبط بشكل غير مباشر بحركة الثقب، من الممكن إعادة بناء موقعه، وهذا بالضبط ما فعلناه كجزء من تجاربنا". بالإضافة إلى ذلك، من خلال تغيير استقطاب شعاع الليزر، أثبت الباحثون القدرة على التأثير على الديناميكيات المرتبطة بإعادة تنظيم غلاف الإلكترون في الجزيء بمساعدة مجال الليزر. "إن عملية إعادة التنظيم هذه هي المسؤولة في نهاية المطاف عن نتائج جميع التفاعلات الكيميائية. "إذا كان لديك خليط من المواد المتفاعلة قد يؤدي إلى عدد من المنتجات المحتملة، فمن خلال الاختيار الواعي لأنواع أشعة الليزر سيكون من الممكن اختيار المنتج الذي تريده، وهذا المنتج فقط"، يوضح الباحث.

ملخص المقال   

أخبار الدراسة