لرؤية "أنفاس" جزيء كيميائي

لأول مرة على الإطلاق، تمكن الكيميائيون الفنلنديون من قياس الحركة الاهتزازية لجزيء واحد باستخدام الفيمتو ثانية المحددة زمنيًا.

[ترجمة د.نحماني موشيه]
لأول مرة على الإطلاق، تمكن الكيميائيون الفنلنديون من قياس الحركة الاهتزازية لجزيء واحد باستخدام الفيمتو ثانية المحددة زمنيًا.

وتكشف الدراسة، التي أجريت في جامعة كاليفورنيا في إيرفاين، ونشرت نتائجها في المجلة العلمية Nature Photonics، كيف يختلف اهتزاز جزيء واحد عن سلوك المجموعات الجزيئية الأكبر.

استخدم العلماء نبضات ليزر بفواصل زمنية قصيرة جدًا تبلغ الفيمتو ثانية في طيف الضوء المرئي لقياس حركة الجزيئات الفردية. أصبحت القدرة على مراقبة اهتزاز جزيء عضوي واحد [في هذه الحالة، ثنائي بيريديل إيثيلين، BPE] كدالة للوقت ممكنة بفضل تشتت نبضات الضوء. تُعرف هذه الطريقة باسم "تشتت رامان المضاد لستوكس رامان المتماسك الذي تم حله بمرور الوقت" (tr-CARS). وكجزء من البحث، طور العلماء أيضًا طريقة جديدة للكشف عن الجزيئات المفردة باستخدام الوسائل البصرية.

أصبحت مراقبة اهتزاز جزيء BPE واحد ممكنة بمساعدة طريقة تُعرف باسم "الهوائيات النانوية البلازمونية" (الهوائيات النانوية البلازمونية) التي تتكون من جزيئين ذهبيين نانيين يفصل بينهما حوالي 90 نانومتر. يعمل الهوائي النانوي على تضخيم الإشعاع المنبعث من جزيء واحد إلى مستوى قابل للقياس. يقول أحد العلماء المشاركين في البحث: "إن القدرة على قياس جزيء واحد باستخدام تشتت الضوء هي مهمة صعبة بشكل خاص، وبالتالي كان علينا تضخيم الإشارة".

ينتشر تضخيم الإشارات الجزيئية بمساعدة الجسيمات النانوية على نطاق واسع في العديد من الطرق الطيفية، على سبيل المثال ضمن طريقة "تشتت رامان المعزز السطحي" (SERS)، والتي تُستخدم للكشف الروتيني عن الجزيئات المفردة. يتم التحكم بشكل كامل في اهتزاز جزيء واحد بواسطة قوانين ميكانيكا الكم. ومن أجل الحصول على نتيجة قياس ضمن هذه الطريقة، يجب أن يكون الجزيء في حالتين كموميتين في نفس الوقت. تُعرف هذه الظاهرة في ميكانيكا الكم باسم "التراكب المتماسك لحالات الاهتزاز" - حزمة موجية. في المجموعات الجزيئية، عادةً ما تفقد الأنماط الموجودة داخل حزمة الموجة ارتباطها بالطور خلال فترة زمنية قصيرة جدًا، وهي ظاهرة تُعرف باسم إزالة الطور.

وباستخدام نبضات الليزر، تمكن العلماء من إنشاء حزمة موجية من الاهتزازات في جزيء واحد ومراقبتها لمدة 10 بيكو ثانية. تتوافق حركة حزمة الموجة التي تعتمد على الوقت مع الاهتزازات العملية للجزيء، أي "التنفس" الجزيئي. أثبتت الاختبارات أن اهتزازات الجزيء الواحد لم تفقد ارتباطها بالطور. وبمساعدة عمليات المحاكاة الحاسوبية، تمكن العلماء من شرح الملاحظات وإظهار أن الخروج من حدث ما هو خاصية للمجموعات الجزيئية وليس لجزيء واحد، في حين أن هذه الخاصية أساسية للغاية في هذه الحالة ولم تكن معروفة للعلم حتى الآن.

يقول الباحث الرئيسي: "إن قدرتنا على مراقبة اهتزاز جزيء واحد تقربنا خطوة واحدة من وضع يمكننا فيه رؤية الكيمياء الحقيقية وهي تعمل على مستوى الجزيئات الفردية". إن القدرة على إنشاء وتغيير وقياس الحالات الكمومية لجزيء واحد تفتح نافذة على إمكانيات جديدة في مجال الحوسبة الكمومية القائمة على نقل الجزيئات والمعلومات الكمومية. من الناحية العملية، فإن مراقبة الجزيئات المفردة تعني أننا نراقب الفوتونات الفردية. ونتيجة لذلك، فإن نتائج البحث تمهد الطريق أمام سبل جديدة للبحث والتطبيقات في مجال مكونات الضوئيات القائمة على جزيء واحد، على سبيل المثال - إنتاج فوتونات واحدة في الحالة التي نريدها.

الخبر عن المقال
ملخص المقال