التقطت نبضات الأشعة السينية FEL إعادة التشكيل والتجزئة السريعة لجزيئات C60 المعرضة لحقول ليزر قوية بشكل متزايد.

تكشف النتائج عن فجوات في النماذج النظرية الحالية وتشير إلى مسارات جديدة للتحكم في السلوك الجزيئي باستخدام الضوء.

الكشف عن الديناميكيات الجزيئية للعديد من الجسم باستخدام نبضات الأشعة السينية المكثفة

إن الفهم الواضح لكيفية تصرف العديد من الجسيمات المتفاعلة داخل الجزيئات متعددة الذرات التي يحركها الليزر أمر ضروري لأي جهد لتوجيه التفاعلات الكيميائية باستخدام مجالات الضوء المكثفة. إن التطورات الحديثة تجعل هذا ممكنًا بطرق جديدة، حيث أن نبضات الأشعة السينية القوية والقصيرة للغاية التي تنتجها أشعة ليزر الإلكترون الحر المعتمدة على المسرع (FELs) تسمح للباحثين بمراقبة مدى قوة مجالات الليزر في إعادة تشكيل الجزيئات بشكل مباشر.

كان “Buckminsterfullerene” C60 المعروف، والذي غالبًا ما يُقارن بكرة القدم الصغيرة، بمثابة حالة اختبار لهذا العمل. انضمت فرق من معهد ماكس بلانك للفيزياء النووية (MPIK) في هايدلبرغ ومعهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة (MPI-PKS) في دريسدن إلى زملائها في معهد ماكس بورن (MBI) في برلين والمتعاونين في سويسرا والولايات المتحدة واليابان. قدمت تجربتهم في مصدر الضوء المتماسك Linac (LCLS) في مختبر المسرع الوطني SLAC أول صور مباشرة لكيفية استجابة C60 لمجالات الليزر القوية.

استخراج بيانات نصف القطر والتجزئة من تشتت الأشعة السينية

لفهم الاستجابة الجزيئية، قام الباحثون بتحليل نمط حيود الأشعة السينية الناتج عن تفاعل الجزيء مع نبضة ليزر قوية تعمل بالأشعة تحت الحمراء (IR). ومن هذا النمط، حددوا كميتين رئيسيتين: نصف القطر (المتوسط). ر للجزيء وسعة غينير أ. تعكس سعة غينير القوة الإجمالية لإشارة تشتت الأشعة السينية ومقاييسها ن²، العدد التربيعي (الفعال) للذرات التي تساهم كمراكز تشتت. بينما يتتبع R مقدار توسع أو تشوه الجزيء وشظاياه، يوفر A نظرة ثاقبة حول كيفية تفكك الجزيء، وخاصة توزيع حجم شظاياه.

تتبع التوسع والتشوه والتجزئة عبر شدة الليزر

يسلط الشكل 2 الضوء على النتائج عبر ثلاثة نطاقات كثافة موصوفة بأنها “منخفضة” (1 × 10¹⁴ ث / سم²)، “متوسط” (2 × 10¹⁴ ث / سم²) و”عالية” (8×10¹⁴ ث / سم²). قيم ر و أ تظهر نسبةً إلى تلك التي تكون عند تأخيرات سلبية، وهي حالة تصل فيها نبضة الأشعة السينية إلى الجزيء قبل نبضة الأشعة تحت الحمراء وتلتقط C60 سليمًا. توضح الأفلام التي تم إنشاؤها من حسابات نموذج MPI-PKS كيفية تطور الجزيء بمرور الوقت عند كل مستوى كثافة، مما يوضح التوسع والتشوه والتجزئة. تظهر الإلكترونات التي يتم تحريرها ودفعها بواسطة مجال الليزر على شكل مجالات زرقاء صغيرة في هذه التصورات، مع عرض عينة من الصور الثابتة في الجزء العلوي من الشكل 2.

أنماط التجزئة عند قوة الليزر المنخفضة والمتوسطة

عند شدة الليزر المنخفضة، ينمو الجزيء أولاً بشكل أكبر قبل أن يتجزأ، وهي عملية يشير إليها انخفاض متأخر ومعتدل في سعة جينير. في ظل الشدة المتوسطة، سرعان ما يتبع التوسع الأولي انخفاض في نصف القطر يتم ملاحظته عبر التصوير بالأشعة السينية. يشير هذا التخفيض إلى التشتت من شظايا أصغر، ويتفق مع انخفاض متأخر قليلاً في سعة جينيير، مما يدل على أن العديد من الجزيئات قد تكسرت بالفعل إلى أجزاء.

ركلات ليزر عنيفة عالية الكثافة وإزالة سريعة للإلكترون

عند أعلى كثافة، يخضع الجزيء لتوسع سريع مصحوب بانخفاض فوري وحاد في سعة جينير بدءًا من مقدمة نبضة الليزر القوية. يتم تجريد جميع إلكترونات التكافؤ الخارجي (الملزمة) تقريبًا في هذه اللحظة القصيرة. تعيد الحسابات النموذجية إنتاج هذا التأثير وتؤكد الطبيعة المفاجئة لـ “ركلة” الليزر المكثفة.

تكشف التناقضات النموذجية عن تأثيرات تسخين فائقة السرعة

ومع ذلك، في الكثافات المنخفضة والمتوسطة لا يوجد سوى بعض الاتفاق النوعي مع التجربة. على وجه الخصوص، يتنبأ النموذج بسلوك تذبذبي في كل من نصف القطر والسعة الناتج عن “التنفس” الدوري للجزيء (انظر الأفلام)، وهو أمر غائب تمامًا في البيانات المرصودة. أدى تنفيذ آلية تسخين فائقة السرعة إضافية تعمل على المواضع الذرية في الجزيء إلى اتفاق أفضل مع التجربة، مما يدل على أن المزيد من العمل، تجريبيًا وكذلك نظريًا، ضروري لفهم تفاعلات الليزر المكثفة مع المادة بشكل أفضل، وفي النهاية توجيهها.

نحو التحكم في التفاعلات الكيميائية بمجالات الليزر

لا تزال ديناميكيات الإلكترونات المتعددة المدفوعة بحقول الليزر المكثفة تشكل تحديًا للوصف النظري، حيث إن المعالجة الميكانيكية الكمومية الكاملة بعيدة المنال حاليًا. ومن ثم، فإن أفلام الأشعة السينية للديناميكيات الهيكلية، مثل تلك الموجودة في C60، تعد بمثابة اختبار مثالي لفهم العمليات الكمومية الأساسية في الأنظمة الجزيئية ذات الحجم والتعقيد المتزايدين، مما ينير طريقنا نحو التحكم في التفاعلات الكيميائية باستخدام مجالات الليزر.

المرجع: “تصور التفكك الجزيئي المستحث بالمجال القوي لـ C60 عبر حيود الأشعة السينية” 21 نوفمبر 2025، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.adz1900

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