צוות חוקרים מ-ICFO פיתח כלי המבוסס על ספקטרוסקופיה ברמת הליבה אטו-שנייה לחקר דינמיקה מולקולרית בזמן אמת, תוך התמקדות בפוראן פאזי גז. הם עקבו בהצלחה אחר הדינמיקה של פתיחת הטבעת שלה, והצמתים החרוטיים, וצפו בסופרפוזיציות קוונטיות ומצבים אפלים. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il
חוקרים פיתחו שיטה חדשה המשתמשת בספקטרוסקופיה ברמת הליבה של אטו-שנייה כדי ללכוד דינמיקה מולקולרית בזמן אמת.
המנגנונים מאחורי תגובות כימיות הם מורכבים, וכוללים תהליכים דינמיים רבים המשפיעים הן על האלקטרונים והן על הגרעינים של האטומים המעורבים. לעתים קרובות, הדינמיקה המזוהה בין האלקטרונים והגרעיניים מפעילה תהליכי הרפיה נטולי קרינה הידועים כצומתים חרוטיים. דינמיקה זו עומדת בבסיס פונקציות ביולוגיות וכימיות משמעותיות רבות, אך ידוע לשמצה שקשה לזהות אותן בניסוי.
האתגר בחקר הדינמיקה הללו נובע מהקושי להתחקות אחר התנועה הגרעינית והאלקטרונית בו זמנית. הדינמיקה שלהם שזורה זה בזה ומתרחשת בטווחי זמן מהירים במיוחד, מה שהפך את לכידת האבולוציה הדינמית המולקולרית בזמן אמת לאתגר מרכזי הן עבור פיזיקאים והן עבור כימאים בשנים האחרונות.
כעת, צוות חוקרים מ-ICFO פיתח כלי רב עוצמה המבוסס על ספקטרוסקופיה ברמת הליבה של Attosecond לחקור דינמיקה מולקולרית בזמן אמת, תוך התגברות מוצלחת על האתגר הזה.
הצוות, בראשות ICREA פרופ' ינס ביגרט, כולל את חוקרי ה-ICFO ד"ר סטפנו סברינו, ד"ר מאוריציו רדוצי, ד"ר אדם סאמרס, הונג-וויי סאן, וינג-האו צ'יין, וד"ר קארל מייקל זימס ופרופ' סטפני. גראף מ-Friedrich-Schiller-Universität Jena, אשר סיפק תמיכה תיאורטית. ממצאיהם פורסמו לאחרונה בכתב העת טבע פוטוניקה.
איור אמנותי המתאר את הדינמיקה של פתיחת הטבעת של מולקולת הפוראן. קרדיט: ICFO/ סטודיו EllaMaru
מחקר של Furan בשלב הגז
החוקרים סמנו את שיטתם המתחקה אחר התפתחותו של פוראן פאזי הגז, מולקולה אורגנית העשויה מפחמן, מימן וחמצן אחד המסודרים בגיאומטריה מחומשת. המבנה המחזורי שלו נותן סוג כזה של מִין שמה של "טבעת" כימית. הבחירה לא הייתה שרירותית, שכן פוראן היא מערכת האב-טיפוסית לחקר טבעות אורגניות הטרוציקליות, המרכיבים החיוניים של מוצרים יומיומיים רבים ושונים כגון דלקים, תרופות או כימיקלים אגרוכימיים. הבנת הדינמיקה ותהליכי הרפיה שלהם היא חיונית.
איור סכמטי המתאר את הפרטים של כל הדינמיקה של פתיחת הטבעת של פוראן. קרדיט: ICFO
דינמיקת פתיחת הטבעת של פוראן
הצוות הצליח לפתור בזמן את הפרטים של כל הדינמיקה של פתיחת הטבעת של פוראן, כלומר, ביקוע הקשר בין פחמן אחד לחמצן, ששובר את המבנה המחזורי שלו. כדי לעשות זאת, הם היו צריכים לעקוב אחר מה שנקרא צמתים חרוטיים (CI), שערים מהירים במיוחד בין מצבי אנרגיה שונים שפוראן לוקח על עצמו בהתפתחותו לקראת פתיחת הטבעת.
בניסוי שלהם, קרן אור (פולס המשאבה) עוררה לראשונה את מולקולת הפוראן. לאחר מכן, נעשה שימוש באטושניה ובדופק חלש בהרבה (הבדיקה) כדי לנטר את השינויים שנגרמו על ידי המשאבה בדגימה. לאחר הפוטו-עירור הראשוני, שלושת הצמתים החרוטיים הצפויים אותרו בזמן על ידי ניתוח השינויים בספקטרום הספיגה כפונקציה של ההשהיה בין המשאבה לבדיקה. ההופעה וההיעלמות של תכונות ספיגה, כמו גם התנהגות התנודה שלהן, מספקות חתימות של השינויים במצב האלקטרוני של פוראן.
הם יכלו לראות שהמעבר במעבר ה-CI הראשון יוצר סופרפוזיציה קוונטית בין המצב האלקטרוני ההתחלתי והסופי, שהתבטא בצורה של פעימות קוונטיות. את התופעה האולטרה-מהירה הזו, שניתן להסביר רק באמצעות תורת הקוונטים, היה קשה מאוד לזהות בניסויים קודמים. ה-CI השני היה באופן עקרוני אפילו יותר מאתגר ללכידה, שכן המצב האלקטרוני הסופי אינו פולט ואינו סופג פוטונים (זהו מצב כהה אופטית) ולכן זיהויו בשיטות קונבנציונליות הוא תובעני ביותר. עם זאת, במקרה זה, הפלטפורמה שלהם ביצעה את המשימה כמו קודם.
לאחר מכן, פתיחת הטבעת הייתה אמורה להתרחש והציוד של הקבוצה זכה שוב בזיהויו. מעבר המולקולה מגאומטריית טבעת סגורה לפתוחה מרמז על שבירת סימטריה המוטבעת בספקטרום הספיגה. הכלי הספקטרוסקופי בו השתמשו החוקרים הוכיח שהוא רגיש ביותר למבנה הגרעיני, ופתיחת הטבעת התבטאה כהופעת שיאי ספיגה חדשים.
לבסוף, המולקולה נרפה למצב הקרקע (המסלול המולקולרי הנמוך ביותר שקיים) דרך הצומת החרוטית השלישית, שהמעבר שלו שוב נפתר בזמן מדויק.
הצלחת ספקטרוסקופיה של קליטה ברמת ליבה של Attosecond
ביגרט וקבוצתו הציעו והדגימו בהצלחה מתודולוגיה אנליטית חדשה לחשיפת התהליך המורכב של פתיחת טבעות מולקולרית בטווח הזמן האולטרה-מהיר שלה. הרזולוציה הטמפורלית הגבוהה וספקטרום האנרגיה הקוהרנטי המשולב של הטכניקה החדישה שלהם אפשרו להם לא רק לעקוב אחר מעברי הפוראן על פני צמתים חרוטיים, אלא גם לזהות קוהרנטיות אלקטרוניות וגרעיניות, פעימות קוונטיות, מצבים אפלים אופטית ושינויי סימטריה, מה שסיפק. תמונה מפורטת ביותר של כל תהליך ההרפיה.
כוחה של ספקטרוסקופיה ברמת הליבה של אטו-שנייה אינו מוגבל למולקולה הספציפית הזו, אלא הוא כלי כללי שנועד לשמש גם עם מינים אחרים. לכן, מנגנון חדש זה יכול להביא לידי ביטוי את הדינמיקה המורכבת של פונקציות רלוונטיות, כגון מנגנון הגנת הפוטו של DNA בָּסִיס. יתר על כן, החוקרים מזהים את המניפולציה של תגובות מולקולריות יעילות ודינמיקה של הרפיית אנרגיה כחלק מהיישומים המבטיחים ביותר לעבודתם.
