Molecules Pirouetting می تواند به ما کمک کند درباره تاریخچه کیهان بیاموزیم

خدایا! نمیتونم درک نکنم
آنها با یک گیره محکم تر؟
خدایا! نمیتونم پس انداز کنم
یکی از موج بی رحم؟
(برگرفته از “رویایی در یک رویا” اثر ادگار آلن پو)

در محیط طبیعی خود، مولکول ها مانند توپ های یک دستگاه قرعه کشی رفتار می کنند. آنها میلیون ها بار در ثانیه می چرخند، غلت می زنند و با یکدیگر برخورد می کنند.

درست مانند جریان هوا که توپ ها را در یک دستگاه قرعه کشی در همه جا به هم می زند تابش حرارتی همچنین به مولکول‌ها انرژی می‌دهد که باعث می‌شود آنها به اطراف بچرخند و به‌طور آشفته بچرخند.

بنابراین، همانطور که می‌توانید تصور کنید، مطالعه مولکول‌های خمیده در هرج و مرج بی‌قرارشان بسیار چالش برانگیز است!

تصور کنید اگر بتوانیم یک مولکول را در یک مکان نگه داریم چقدر بیشتر می توانیم یاد بگیریم. ما باید آن را از شلوغی جمعیت جدا کنیم و آن را محکم نگه داریم تا با تشعشعات حرارتی که سعی در چرخش آن دارند مقابله کنیم. این مانند غلبه بر آشفتگی جریان هوا در دستگاه قرعه کشی با نگه داشتن یک توپ با یک دستگیره محکم است، بنابراین خواندن شماره آن آسان می شود.

دستکاری یک دستگاه قرعه کشی احتمالاً شما را به دردسر می اندازد، اما خوشبختانه، تیم ما فقط در حال مطالعه نحوه اعمال این ایده مفهومی برای مولکول های آزمایشگاه ما در NIST است.

اتم ها کوچکترین واحد ماده هستند و مولکولها گروهی از این اتمها هستند که به یکدیگر پیوند دارند.

وقتی یک الکترون را از یک اتم یا یک مولکول حذف می کنیم، بار مثبت پیدا می کند. هنگامی که بار مثبت داشته باشد، دانشمندان آن را یون اتمی یا یون مولکولی می نامند. ما می‌توانیم یون‌ها را در داخل یک محفظه خلاء در قفسی ساخته شده از میدان‌های الکترومغناطیسی که به نام تله یونی. خلاء داخل دستگاه ما تضمین می کند که تعداد کمی از ذرات دیگر با یون های به دام افتاده برخورد می کنند.

چون یون ها باردار هستند، به شدت یکدیگر را دفع می کنند. ما آزمایشات خود را با به دام انداختن یک یون اتمی و یک یون مولکولی درست در کنار یکدیگر تنظیم کردیم. هنگامی که یک یون در تله به جلو و عقب حرکت می کند، نیروی دفع کننده یون دیگر را هل می دهد، بنابراین هر دو به طور هماهنگ به جلو و عقب حرکت می کنند.

خنک‌سازی و کنترل یون‌های اتمی منفرد با لیزر در اواخر دهه 1970 با کمک‌های مهم برنده جایزه نوبل آغاز شد. دیوید واینلند، که گروه ما را در NIST تأسیس کرد. محققان در 50 سال گذشته کنترل یون‌های اتمی را تا حد زیادی اصلاح کرده‌اند.

در نتیجه، می‌توانیم عقب و جلو یون اتمی را با لیزر خنک کنیم تا زمانی که حرکت آن متوقف شود. در آن نقطه، یون مولکولی در امتداد حرکت می کند و حرکت به جلو و عقب را متوقف می کند.

تو من را درست به دور میچرخانی

مولکول همچنین می تواند در جای خود بچرخد و این حرکت چرخشی توسط یون اتمی گرفته نمی شود. تابش حرارتی می تواند چرخش مولکولی را به حرکت درآورد و آن را گرم کند. این شبیه گرم شدن پوست شما هنگام جذب اشعه مادون قرمز خورشید است.

ممکن است فکر کنید که مولکول می تواند به هر سرعتی بچرخد، اما این درست نیست. مکانیک کوانتومی حکم می کند که انرژی چرخشی مولکول در مراحل گسسته تغییر کند.

بنابراین، هنگامی که مولکول گرم می شود، از پله های یک نردبان انرژی بالا می رود. ما هر پله از این نردبان را حالت کوانتومی می نامیم. به دلیل ماهیت تصادفی تابش حرارتی، این یک صعود جهت دار نیست. در عوض، مولکول به طور تصادفی از طریق صدها حالت چرخشی مختلف هدایت می شود.

من تو را تماشا خواهم کرد

برای دریافت اطلاعات در مورد وضعیت چرخشی مولکول، تیم ما مجبور شد چند ترفند دیگر ارائه دهد که از همان یون اتمی به دام افتاده استفاده می‌کرد که قبلاً خنک‌سازی را انجام می‌داد. می تواند حرکت رفت و برگشت مولکول را بگیرد اما چرخش را نه.

با اعمال پالس های لیزری با فرکانس مناسب، می توانیم حالت چرخشی را تغییر دهیم و مولکول را به جلو و عقب تکان دهیم. نکته مهم این است که فرکانس لیزر فقط با یک جفت حالت چرخشی، مانند یک کلید در یک قفل، مطابقت دارد.

هنگامی که یک “کلید” نور لیزر خاصی را اعمال می کنیم و سپس اتم دریافت می کند که مولکول به عقب و جلو می رود، می دانیم که مولکول در ابتدا در یک حالت چرخشی بوده است. پس از آن، در وضعیت چرخشی متناظر جفت قرار می‌گیرد که «کلید متناسب است».

هنگامی که اتم در حال حرکت سیگنال می دهد که مولکول در حالت شناخته شده ای قرار دارد، می توانیم از لحظه استفاده کنیم و پالس های لیزری بیشتری برای مطالعه ساختار سطح چرخشی اعمال کنیم. این تکنیک به ما اجازه می دهد تا مولکول را با دقت و جزئیات بی سابقه ای مشاهده کنیم.

با این حال، در حالی که ما سعی می کنیم تا آنجا که ممکن است در مورد مولکول کشف کنیم، تابش حرارتی به طور تصادفی چرخش را به حرکت در می آورد. در برخی موارد، ما مسیر وضعیت را از دست می دهیم. به طور تصادفی دوباره سرگردان می شود و از بسیاری از حالات دیگر عبور می کند تا اینکه به طور اتفاقی به یکی از معدود حالت هایی که با پالس های لیزری “کلیدی” خود تماشا می کنیم، باز می گردد.

تا همین اواخر، ما زمان بیشتری را صرف انتظار برای بازگشت چرخش به حالتی می‌کردیم که کلید مناسب باشد تا آزمایش‌ها، و سرعتی که می‌توانستیم در مورد مولکول یاد بگیریم نسبتاً آهسته بود. مدرسه ای را تصور کنید که در آن دانش آموزان تقریباً 93٪ اوقات در تعطیلات هستند و فقط در 7٪ اوقات در کلاس هستند. شاگردان ممکن است از این لذت ببرند، اما چیز زیادی یاد نخواهند گرفت! ما می‌خواستیم سریع‌تر یاد بگیریم و منتظر بازگشت حالت‌های سرگردانمان بی‌صبر شدیم.

این ما را برانگیخت تا در وهله اول به این فکر کنیم که چگونه می توانیم حالت چرخشی را از سرگردانی دور نگه داریم. معلوم می شود که وقتی مولکول به طور تصادفی از آن نردبان حالت بالا و پایین می رود، بعید است که پله ها را رد کند.

بنابراین، به جای اینکه صبورانه منتظر بازگشت آن پس از فرار از حالت چرخشی باشیم، اکنون به سرعت کلید را به پالس های لیزری در فرکانس هایی تغییر می دهیم که پله های بلافاصله بالاتر یا پایین تر از حالت کلید اصلی ما را بررسی می کنند. در بیشتر موارد، ما می توانیم مولکول را در یکی از این پله های مجاور قبل از فرار بیشتر بگیریم. سپس فرار را با یک پالس مایکروویو دقیقاً با فرکانس و مدت زمان مناسب به حالتی که می‌خواهیم مطالعه کنیم برمی‌گردانیم.

با این رویکرد “رهگیری و بازگشت”، ما می توانیم در مورد مولکول در 65٪ موارد درس بیاموزیم و “زمان استراحت” تا 35٪ کاهش می یابد. مجموعه ای از آزمایش ها که قبلاً یک ساعت طول می کشید، اکنون می توانند در حدود انجام شوند شش دقیقه.

در اصل، این استراتژی را می‌توان در نزدیک‌ترین پله‌های بعدی برای افزایش بیشتر «زمان کلاس» گسترش داد و فقط در موارد بسیار نادری که مولکول حالت کوانتومی چرخش خود را تغییر نمی‌دهد، بلکه نحوه «ارتعاش» را تغییر می‌دهد، محدود می‌شود.

ارتعاش مولکولی شکل کاملاً متفاوتی از حرکت است که در آن اتم‌های موجود در مولکول نسبت به یکدیگر شروع به نوسان می‌کنند. این ارتعاش را به عنوان «تنفس» مولکول در نظر بگیرید، با این تفاوت که خود مولکول در طول فرآیند ارتعاش طولانی‌تر و کوتاه‌تر می‌شود. تغییر در ارتعاش به انرژی بیشتری نسبت به تغییر نحوه چرخش مولکول به اطراف نیاز دارد. تابش حرارتی فوتون های بسیار کمی با انرژی کافی برای تغییر ارتعاش دارد، بنابراین به ندرت اتفاق می افتد.

همه چیز با بیگ بنگ شروع شد

یکی از انگیزه‌های اصلی کار ما این است که روش‌هایی که فقط بر روی یک یون مولکولی خاص «خوکچه هندی»، یون مثبت هیدرید کلسیم، توسعه داده‌ایم، برای بسیاری از یون‌های مولکولی کوچک دیگر نیز کارایی دارد. در واقع، جامعه رو به رشدی از محققان روش‌های ما را انتخاب کرده و شروع به استفاده از آن‌ها در سایر یون‌های مولکولی کرده‌اند.

یون‌های مولکولی زیادی در ابرهای گازی بین‌ستاره‌ای وسیعی که ستارگان در آنجا متولد می‌شوند، وجود دارد، اما ما اطلاعات کمی در مورد آنها داریم. این به این دلیل است که دریافت اجمالی بدون مزاحمت از آنها در آزمایشگاه دشوار بوده است.

ما اکنون ابزارهای کاملاً جدیدی داریم که به ما کمک می کند تا ویژگی های ناشناخته بسیاری از مولکول های باردار را باز کنیم. این برای علم مهم است زیرا محققانی که چنین ابرهایی را بررسی می‌کنند می‌توانند از «اثر انگشت» مولکولی که ما تولید می‌کنیم برای مقایسه با اثر انگشت مولکول‌هایی که تلسکوپ‌هایشان از فضا دریافت می‌کنند استفاده کنند. این به محققان اجازه می دهد تا مولکول هایی را شناسایی کنند که در “صحنه جرم” در طول شکل گیری ستارگان فعال هستند.

ابرهای بین ستاره‌ای دور نشان دهنده روزهای اولیه کیهان هستند و نگاهی اجمالی به تاریخ آن دارند. هنوز چیزهای زیادی وجود دارد که ما نمی دانیم، اما امیدواریم که تحقیقات ما بتواند به کشف برخی از این اسرار آسمانی کمک کند.

تیمی که در NIST روی این تحقیق کار کرد شامل یو لیو، جولیان اشمیت، ژیمین “چریل” لیو، دیوید آر. لیبراند، “جیمز” چین ون چو و من بود. ما مهارت های مختلف زیادی را در یک تیم قوی و منسجم برای رسیدن به این موفقیت ترکیب کردیم.

در ابتدا، رویکرد ما جدید و آزمایش نشده بود و بودجه به راحتی در دسترس نبود. ما با تجهیزاتی شروع کردیم که از راه‌اندازی‌های بازنشسته تغییر کاربری داده شدند یا از آزمایشگاه‌های دیگر قرض گرفتند.

از همه همکارانی که در این مرحله اولیه ما را یاری کردند کمال تشکر را داریم. ما به‌ویژه از کل گروه ذخیره‌سازی یون، و همچنین از سایر افراد در NIST، به‌ویژه اسکات دیدمز و تارا فورتیر سپاسگزاریم. فیلیپ پلسو از مؤسسه فناوری کارلسروهه در آلمان کمک ارزشمندی در درک نظریه پشت مشاهدات اولیه ما ارائه کرد.

بعد چه می شود؟

ما اکنون در تلاش هستیم تا کنترل را به ارتعاشات مولکولی گسترش دهیم و حتی بیشتر در مورد مولکول ها بیاموزیم. این به منابع لیزری مختلف نیاز دارد تا “کلیدهای نور” لیزری پرانرژی‌تر را برای باز کردن قفل گذارهای ارتعاشی فراهم کنند.

ما قبلاً در ایجاد یک کلید ارتعاشی خاص موفق شده‌ایم و اکنون در حال طراحی و ساخت یک «کلیدی» لیزری جهانی‌تر هستیم که به ما امکان می‌دهد تقریباً تمام حالت‌های ارتعاشی بسیاری از مولکول‌ها را باز کنیم.

هنگامی که انرژی ارتعاشی اضافه می شود، پیوند بین اتم های ارتعاشی نرم می شود. هنگامی که انرژی ارتعاشی حذف می شود، پیوند قوی تر می شود. شکستن و ایجاد پیوندها چیزی است که شیمی در مورد آن است.

ما امیدواریم که بتوانیم مرز جدیدی را در تحقیقات واکنش شیمیایی، حالت به حالت و مولکول به مولکول باز کنیم.