سمح استخدام نظام بسيط أحادي الذرة للباحثين بمراقبة العمليات فائقة السرعة التي تحدث في الجزيئات الحساسة للضوء.
من: دانيال تشايكالسون، موقع معهد ديفيدسون، الذراع التعليمي لمعهد وايزمان للعلوم
ماذا يحدث داخل الجزيء عند تعرضه للضوء؟ سؤالٌ يصعب الإجابة عليه، ويعود ذلك جزئيًا إلى كونه من أقصر اللحظات وأسرعها وأكثرها غموضًا في الطبيعة. تخيّل شعاع ضوء يصل إلى خلية جلدية، أو جزيء صبغة خضراء في نبات يمتص شعاعًا من ضوء الشمس، أو مادة في خلية شمسية تحوّل الضوء إلى طاقة. في تلك اللحظة، وفي غضون جزء من الثانية، تبدأ عملية تُغيّر الجزيء من الداخل. وعندما نقول جزء، فإننا نعنيها حرفيًا – فالعملية بأكملها تستغرق فيمتوثانية فقط، أي جزءًا من مليون مليار جزء من الثانية. ما مدى سرعتها حقًا؟ نسبة الفيمتوثانية إلى الثانية تُشبه نسبة الدقيقة إلى عمر الكون.
خلال هذه الفترة القصيرة، تنشط الإلكترونات في الجزيء وتتحرك، ومعها تتحرك نوى الذرات. تشير أبحاث جديدة إلى طريقة جديدة لدراسة هذه العمليات السريعة من خلال إنشاء نظام بسيط يستخدم ذرات منفردة لمحاكاة ما يحدث في جزيئات أكثر تعقيدًا.
الضوء على حافة العلم
الكيمياء الضوئية - دراسة التفاعلات الكيميائية التي يسببها الضوء - نشأت كمجال علمي في القرن التاسع عشر، عندما حدد الكيميائيان ثيودور غروثوس وجون دبليو درابر أنه لكي يؤدي الضوء إلى تغيير كيميائي في مادة ما، يجب أن يتم امتصاصه من قبلها.
لم يحدث تطور هام آخر في هذا المجال إلا في عام 1905. عندما كان ألبرت أينشتاين فك شفرة التأثير الكهروضوئيوهو الاكتشاف الذي فاز به بجائزة نوبل، والذي أظهر أن الضوء يتكون من حزم منفصلة من الطاقة (كمات). لم يضع هذا الاكتشاف الأساس الذي بُني عليه الاكتشاف اللاحق فحسب. نظرية الكمبل إنها أرست أيضاً الأسس لفهم كيف يمكن لفوتون واحد أن يثير إلكتروناً. فقد تبيّن أن طاقة الفوتونات يجب أن تكون عالية بما يكفي لتسبب تحرر الإلكترون من مكانه في المادة وتفاعله. تخيّل الأمر كطفل يحاول ركل كرة عبر سياج: إذا ركلها بقوة ضعيفة، ستعلق الكرة في السياج وتتوقف؛ وإذا ركلها بالقوة المناسبة، ستتجاوز الكرة السياج وتسقط خلفه مباشرة؛ وأخيراً، إذا ركلها بقوة أكبر، ستتجاوز الكرة السياج وتستمر في الحركة خلفه.
يُعدّ تشبيه الكرة والسياج مناسبًا لوصف التأثير الكهروضوئي، حيث تُزاح الإلكترونات من المادة، ولكن توجد أيضًا عمليات في الطبيعة تتحرك فيها الإلكترونات داخل الجزيئات نفسها. في هذه العمليات، يجب أن تمتلك الفوتونات طاقة تُطابق تمامًا الطاقة اللازمة للانتقال. على عكس الكرة، التي يمكنها مواصلة الحركة لمسافات أبعد، تتصرف الإلكترونات داخل الجزيء ككتاب في مكتبة: يمكنك وضع الكتاب على الرفوف، ولكن ليس بينها. إذا استثمرنا طاقة قليلة جدًا أو كثيرة جدًا، ورفعنا الكتاب إلى ارتفاع يقع بين الرفوف، فلن نتمكن من وضعه هناك وسيعود إلى مكانه الأصلي.
شهد النصف الثاني من القرن العشرين تطورات تكنولوجية هامة ساهمت بشكل كبير في تعزيز قدرتنا على رصد العمليات الكيميائية فائقة السرعة. وقد مُنح كل من مانفريد إيجن، ورونالد نوريتش، وجورج بورتر جوائز تقديرية. جائزة نوبل في عام 1967، حصل على جائزة نوبل في الكيمياء لتطويره تقنية التحليل الضوئي الوميضي، التي مكّنت من قياس التفاعلات التي تستغرق جزءًا من مليون من الثانية. وفي عام 1999، فاز الكيميائي المصري الأمريكي أحمد زويل بجائزة نوبل في الكيمياء لتطويره تقنية التحليل الضوئي الوميضي، التي مكّنت من قياس التفاعلات التي تستغرق جزءًا من مليون من الثانية. جائزة نوبل وذلك لتطوير كيمياء الفيمتو، وهي طريقة مكّنت لأول مرة من تسجيل الذرات نفسها أثناء التفاعل؛ وفي عام 2023، انضم الفيزيائيون آن لويلييه وبيير أغوستيني وفرانز كراوس إلى القائمة المتميزة من الحائزين على الجائزة جائزة نوبل، بشأن تطوير كاميرات أسرع.
إن فهم هذه العمليات ليس مجرد مسألة فضول؛ فالكيمياء الضوئية محرك خفي يجعل الحياة على الأرض ممكنة. وأبرز مثال على ذلك، بالطبع، هو... البناء الضوئي – المصنع الكيميائي الطبيعي المهم، حيث تمتص النباتات الطاقة الشمسية وتحولها إلى طاقة كيميائية قابلة للاستخدام، على شكل جزيئات سكر. هذه العملية هي أساس السلسلة الغذائية بأكملها، وكذلك الأكسجين الذي نتنفسه.
يركز العلماء حاليًا على ابتكار أنظمة بسيطة تساعد في شرح هذه العمليات. على سبيل المثال، يحاول العلماء في جميع أنحاء العالم فك شفرة آلية التحلل الكيميائي الضوئي للماءهذا أحد أعظم التطلعات في مجال الطاقة الخضراء - القدرة على استخدام ضوء الشمس فقط لإنتاج الهيدروجين النظيف لاستخدامه كوقود، دون انبعاث الملوثات.
إلى جانب الطاقة والغذاء، تُعدّ الكيمياء الضوئية حاميةً لنا على الأرض. ففي طبقات الجو العليا، تُشكّل التفاعلات الكيميائية الضوئية ما يُنشئ ويحفظ... طبقة الأوزون، والتي تمتص الأشعة فوق البنفسجية الضارة. لذا فإن الفهم العميق لهذه الحركات الجزيئية الدقيقة هو المفتاح للتحكم في العمليات الهائلة التي تشكل حياتنا في هذا العالم.
جهاز كمي مبرمج
يُعدّ قياس جميع تفاصيل التفاعل الكيميائي السريع مهمةً صعبة. ولتبسيطها، ربما يُمكن إعادة إنتاجها استباقيًا ضمن نظام مُتحكّم به. هذا ما حاول فريق من الباحثين القيام به عندما قاموا ببناء جهاز كمي مبرمجنظام صغير مصمم لمحاكاة سلوك جزيء حقيقي عند تعرضه للضوء.
في قلب هذا الجهاز أيون واحد - ذرة ذات شحنة كهربائية - محصور في مجال كهربائي ومحاط بأشعة ليزر مركزة. ظاهريًا، لا يشبه هذا الأيون جزيئًا معقدًا، ولا يمتلك نفس التركيب أو الكتلة للجزيء قيد الدراسة. ولكن من وجهة نظر فيزيائية، لسنا بحاجة إلى بناء نسخة طبق الأصل من الجزيء، بل يكفي إنشاء نظير فيزيائي: نظام يتصرف وفقًا للقوانين نفسها.
تُحاكي الترتيبات المحتملة للأيون وإلكتروناته ترتيبات الجزيء. وبالمثل، تُحاكي حركة الأيون اهتزازات الذرات في الجزيء. ورغم أن كتلة الذرة الواحدة تختلف اختلافًا كبيرًا عن كتلة جزيء كبير يتكون من ذرات عديدة، إلا أنه يُمكن التحكم في معدل الاهتزاز بحيث تُحاكي حركته حركة الجزيء.
يكمن جمال هذا النظام في إمكانية برمجته من خلال التحكم المادي بحالة الذرة قيد الاختبار. وبهذه الطريقة، يمكن للجهاز نفسه محاكاة جزيئات مختلفة بتغيير الإعدادات التجريبية. وهكذا، يستطيع نظام بسيط مكون من ذرة واحدة أن يروي قصة جزيء كامل في الوقت الفعلي.
جزيء واحد، ثلاث طرق للتفاعل
لاختبار مدى فعالية المحاكاة، أجرى الباحثون تجارب في ظروف تحاكي ثلاثة جزيئات معروفة، يستجيب كل منها للضوء بشكل مختلف، وسلوكها معروف لدى العلماء من حسابات أو تجارب سابقة. وكانت النتائج مبهرة: فقد استطاعت المحاكاة إعادة إنتاج ليس فقط الاستجابة العامة لكل جزيء، بل أيضاً أدق تفاصيله: كيفية تفاعل الإلكترونات، وتوقيت حدوث الانتقال بين الحالات، وكيف يؤثر تحرك الذرات على الصورة.
بفضل هذه المحاكاة، قد نتمكن في المستقبل من تطوير مواد حساسة للضوء تعمل في الوقت المناسب تمامًا، استنادًا إلى فهم عميق لتفاعلها الكيميائي مع الضوء. سيمكننا هذا من ابتكار أدوية ذكية تنشط داخل النسيج المستهدف في الجسم استجابةً للضوء، ومجمعات شمسية فائقة الكفاءة، والعديد من التطورات الأخرى، بعضها لم نتخيله بعد.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
- بوابة منطقية كمومية بين الفوتون والذرة قد تشكل أساس التواصل الكمي
- يمكن لمقرن الكم العالمي من جامعة تل أبيب أن يقلل تكلفة الكمبيوتر الكمي الفوتوني عشرة أضعاف
- دوران إيجابي - تم اختيار البحث في التخنيون كأحد الإنجازات في مجال الضوئيات في عام 2023
- طريقة جديدة لتحضير مادة ضوئية من البلورات السائلة المستخدمة لإنتاج النوافذ الذكية
תגובה אחת
شيء صعب للغاية.
الأمر مثير للاهتمام ليس فقط للكيميائيين، ولكن أيضاً للفيزيائيين.
موضوع جديد. أعتقد أنه سيكون مثيراً للاهتمام لمعلمي الكيمياء وطلابها على حد سواء. من المؤسف أن قلة من المعلمين يستخدمون مثل هذه المواد الشيقة لنقلها إلى طلابنا.