علماء يصنعون وميضًا من الضوء يختفي داخل سائل

قد تبدو السوائل والمحاليل بسيطة، ولكنها على المستوى الجزيئي تتغير وتعيد تنظيمها باستمرار. عندما يذوب السكر في الماء، يصبح كل جزيء سكر محاطًا بجزيئات ماء سريعة الحركة. أما داخل الخلايا الحية، فإن الوضع أكثر تعقيدًا. تقوم قطرات سائلة صغيرة بنقل البروتينات أو الحمض النووي الريبي وتساعد في تنسيق العديد من الأنشطة الكيميائية للخلية.

على الرغم من أن السوائل تلعب دورًا مركزيًا في الكيمياء والبيولوجيا، إلا أنه من الصعب جدًا دراستها على مستوى الجزيئات والإلكترونات الفردية. على عكس المواد الصلبة، ليس للسوائل بنية ثابتة. كما أن التفاعلات الأسرع بين الجزيئات الذائبة والمناطق المحيطة بها هي أيضًا الأكثر أهمية، إلا أن هذه الأحداث فائقة السرعة ظلت بعيدة عن الأنظار إلى حد كبير.

تقنية جديدة لرؤية حركة الإلكترون فائقة السرعة

أثبت باحثون من جامعة ولاية أوهايو وجامعة ولاية لويزيانا الآن أنه يمكن استخدام التحليل الطيفي عالي التوافقي (HHS) للكشف عن الهياكل الدقيقة داخل السوائل. يمكن لهذه الطريقة البصرية غير الخطية تتبع حركة الإلكترون على نطاقات زمنية تبلغ الأتو ثانية. تمثل الدراسة، التي نشرت في مجلة PNAS، خطوة كبيرة نحو المراقبة المباشرة لكيفية تفاعل المواد المذابة والمذيبات في المحاليل السائلة.

تعتمد HHS على نبضات ليزر قصيرة للغاية تسحب الإلكترونات بعيدًا عن جزيئاتها. وعندما تعود الإلكترونات، فإنها تبعث الضوء الذي يكشف كيفية تحرك الإلكترونات وحتى النوى الذرية. تحدث هذه اللقطات على فترات زمنية بعيدة عن متناول الأدوات التقليدية. لقد تم استخدام التحليل الطيفي البصري التقليدي منذ فترة طويلة لدراسة السوائل لأنه لطيف وسهل التفسير، ولكنه يعمل بشكل أبطأ بكثير. وعلى النقيض من ذلك، يمتد HHS إلى الأشعة فوق البنفسجية القصوى ويمكنه حل الأحداث التي لا تدوم سوى جزء من المليار من الثانية.

جعل التحليل الطيفي عالي التوافقي يعمل في السوائل

حتى وقت قريب، كانت تجارب HHS مقتصرة في الغالب على الغازات والمواد الصلبة، حيث يكون التحكم في الظروف أسهل. تمثل السوائل عائقين رئيسيين. فهي تمتص الكثير من الضوء التوافقي الذي يتم إنتاجه، كما أن جزيئاتها المتحركة باستمرار تزيد من تعقيد الإشارة.

للتغلب على هذه المشاكل، قام فريق جامعة ولاية أوهايو وجامعة ولاية لويزيانا بإنشاء “صفيحة” سائلة رقيقة للغاية تسمح بمرور المزيد من الضوء. وباستخدام هذا النهج، أظهروا لأول مرة أن HHS يمكنه اكتشاف الحركة الجزيئية السريعة والتغيرات الهيكلية المحلية في السوائل.

اختبار المخاليط السائلة البسيطة

ومع تطبيق هذا الإعداد الجديد، قام الباحثون بفحص سلسلة من الخلائط السائلة البسيطة. قاموا بتوجيه ضوء ليزر مكثف من الأشعة تحت الحمراء المتوسطة إلى الميثانول الممزوج بكميات صغيرة من الهالوبنزين. هذه الجزيئات متطابقة تقريبًا وتختلف بواحد فقط ذرة: الفلور أو الكلور أو البروم أو اليود. تولد الهالوبنزينات إشارات توافقية قوية يسهل التعرف عليها، بينما يوفر الميثانول خلفية نظيفة. وتوقع الفريق أن تسيطر إشارة الهالوبنزين حتى عند وجودها بكميات صغيرة جدًا.

بالنسبة لمعظم المخاليط، كان هذا التوقع صحيحا. بدا الضوء المنبعث وكأنه مزيج مباشر من السائلين. ومع ذلك، برز الفلوربنزين (PhF). قال لو ديمورو، أستاذ الفيزياء في جامعة ولاية أوهايو: “لقد فوجئنا حقًا برؤية محلول PhF-الميثانول يعطي نتائج مختلفة تمامًا عن المحاليل الأخرى”. “لم يكن ناتج الخليط أقل بكثير فقط من كل سائل بمفرده، بل وجدنا أيضًا أنه تم قمع توافقي واحد تمامًا.” وأضاف أن “مثل هذا القمع العميق كان علامة واضحة على التدخل المدمر، ولا بد أن يكون سببه شيء قريب من الباعثات”.

من الناحية العملية، أنتج خليط PhF والميثانول ضوءًا أقل من أي سائل بمفرده، واختفى توافقي محدد تمامًا. كان الأمر كما لو أن “ملاحظة” واحدة في الطيف قد تم إسكاتها. هذا النوع من الفقد الانتقائي نادر للغاية ويشير إلى تفاعل جزيئي محدد كان يعطل حركة الإلكترونات.

تشير عمليات المحاكاة إلى مصافحة جزيئية

لمزيد من التحقيق، أجرى فريق جامعة ولاية أوهايو عمليات محاكاة للديناميكيات الجزيئية واسعة النطاق. أوضح جون هربرت، أستاذ الكيمياء ورئيس الجهود النظرية: “لقد وجدنا أن خليط PhF-ميثانول يختلف اختلافًا طفيفًا عن الآخرين. تعمل السالبية الكهربية لذرة F على تعزيز “المصافحة الجزيئية” (أو رابطة الهيدروجين) مع نهاية O-H للميثانول، بينما في المخاليط الأخرى يكون توزيع جزيئات PhX أكثر عشوائية. باختصار، يشكل الفلوروبنزين بنية إذابة أكثر تنظيمًا من الهالوبنزينات الأخرى.

ثم قامت المجموعة النظرية LSU باختبار ما إذا كان هذا الهيكل يمكن أن يفسر النتائج التجريبية. قال ميت جارد، أستاذ بويد للفيزياء: “لقد توقعنا أن كثافة الإلكترونات حول ذرات F كانت توفر حاجزًا إضافيًا لتشتت الإلكترونات المتسارعة، وأن هذا من شأنه أن يعطل عملية التوليد التوافقي”. وباستخدام نموذج يعتمد على معادلة شرودنغر المعتمدة على الوقت، أكد الفريق أن حاجز التشتت هذا يمكن أن يفسر كلاً من التوافقي المفقود والإشارة الإجمالية المنخفضة. وأضافت سوشاريتا جيري، باحثة ما بعد الدكتوراه في جامعة LSU: “لقد تعلمنا أيضًا أن الكبت كان حساسًا جدًا لموقع الحاجز، وهذا يعني أن تفاصيل الكبت التوافقي تحمل معلومات حول البنية المحلية التي تشكلت أثناء عملية الذوبان”.

“كنا متحمسين لأننا قادرون على الجمع بين نتائج التجربة والنظرية، عبر الفيزياء والكيمياء والبصريات، لتعلم شيء جديد عن ديناميكيات الإلكترون في البيئة السائلة المعقدة.”

ميتي جارد، أستاذ الفيزياء بجامعة LSU Boyd

لماذا هذه النتائج مهمة؟

على الرغم من أن هناك حاجة إلى مزيد من الأبحاث لاستكشاف ما يمكن أن تكشفه HHS بشكل كامل في السوائل، إلا أن النتائج المبكرة مشجعة. تحدث العديد من العمليات الكيميائية والبيولوجية الأساسية في البيئات السائلة. كما أن طاقات الإلكترونات المعنية مماثلة لتلك المسؤولة عن الضرر الإشعاعي. وبالتالي فإن الفهم الأفضل لكيفية تشتت الإلكترونات في السوائل الكثيفة يمكن أن يكون له تأثيرات بعيدة المدى في الكيمياء والبيولوجيا وعلوم المواد.

وكما أشار ديمورو، “توضح نتائجنا أن توليد التوافقيات العالية في مرحلة المحلول يمكن أن يكون حساسًا لتفاعلات معينة بين المذاب والمذيب، وبالتالي للبيئة السائلة المحلية. ونحن متحمسون لمستقبل هذا المجال”. يتوقع الباحثون أن التحسينات المستمرة في التجارب وعمليات المحاكاة ستعمل على تجديد الاهتمام بالدراسات فائقة السرعة للسوائل وتسمح للعلماء باستخراج معلومات هيكلية وديناميكية مفصلة حول كيفية استجابة السوائل لنبضات الليزر فائقة السرعة.

المرجع: “البنية المحلية الناتجة عن المذيبات في السوائل التي تم فحصها بواسطة التحليل الطيفي عالي التوافقي” بقلم إريك مور، وسوتشاريتا جيري، وأندرياس كوتزوجيانيس، وطاهرة علوي، وجريج مكراكين، وكينيث لوباتا، وجون إم. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2514825122

من بين المساهمين الرئيسيين في هذا العمل إريك مور، وأندرياس كوتسوجيانيس، وطاهرة علوي، وجريج مكراكين من جامعة ولاية أوهايو؛ وكينيث لوباتا من LSU. تم تمويل هذه الدراسة من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة، وعلوم الطاقة الأساسية، والمؤسسة الوطنية للعلوم.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.