يشاهد العلماء الكيمياء وهي تتكشف عن الذرة بواسطة الذرة

تقترح الدراسة طريقة جديدة لتتبع الديناميكيات الإلكترونية والاهتزازية في الوقت الفعلي

في غضون بضعة أجزاء من تريليون من الثانية بعد امتصاص الضوء، ينحني الجزيء عن شكله، ويغير إلكتروناته، ويحول الطاقة الإلكترونية إلى اهتزازات. تحدث هذه التغييرات بسرعة كبيرة جدًا بحيث لا يمكن للأجهزة العادية متابعتها، لكن الومضات الصادرة عن جهاز XFEL الأوروبي سمحت للباحثين بإعادة بناء التسلسل ذرة بالذرة.

كشفت القياسات أن الذرات الموجودة داخل نفس الجزيء يمكنها تسجيل أجزاء مختلفة من التفاعل الذي يحركه الضوء. قد يقدم أحدهما رؤية أوضح لتحريك الشحنة الكهربائية، بينما يعكس الآخر كيفية اهتزاز البنية الجزيئية. وتظهر النتائج أيضًا أن الإثارة الضوئية يمكن أن تجعل الذرة أكثر استجابة لحركة جيرانها.

هذه القدرة على التمييز بين التغيرات الإلكترونية والهيكلية في الوقت الحقيقي يمكن أن تحسن التحقيقات في العمليات الأساسية التي يحركها الضوء. وتشمل مجالات الدراسة المحتملة الآليات التي تحمي الحمض النووي من الأضرار الضوئية وحركة الطاقة من خلال المواد التي تحصد الضوء.

الذرات المختلفة تكشف عن تغييرات مختلفة

قام الباحثون بفحص 3-فلوروبيريدين، وهو جزيء صغير مبني حول حلقة من الذرات. لقد اختاروه لأن ذرات النيتروجين والفلور فيه يمكن أن تكون بمثابة نقاط مراقبة منفصلة خلال نفس التفاعل.

زودت نبضة ليزر فوق بنفسجية قصيرة بالطاقة الأولية. بعد امتصاص الضوء، دخل الجزيء في حالة متحمسة إلكترونيًا، مما يعني أن إلكتروناته احتلت مؤقتًا ترتيب طاقة أعلى. ثم بدأ هيكلها المسطح عادة في التشويه.

وسرعان ما وصل الجزيء إلى تقاطع مخروطي الشكل، وهو تقاطع عابر حيث تلتقي حالتان من الطاقة الإلكترونية. عند هذه النقطة، تصبح حركات الإلكترونات والنواة الذرية مترابطة بشكل وثيق، مما يسمح للجزيء بالانتقال بين حالات الطاقة بسرعة.

بعد عبور هذا التقاطع، عاد 3-فلوروبيريدين إلى حالته الأساسية، وهي أدنى حالة طاقة إلكترونية له. الطاقة التي تم تخزينها إلكترونيا لم تختف. وبدلاً من ذلك، تحول إلى اهتزاز جزيئي، مما أدى إلى تحرك الذرات بالنسبة لبعضها البعض.

وأظهرت الإشارات الصادرة عن النيتروجين والفلور أجزاء مختلفة من هذا التحول. كان الفلور بمثابة مؤشر واضح نسبيًا على الاسترخاء الاهتزازي، وهي العملية التي يتم من خلالها إعادة توزيع الطاقة الزائدة من خلال الحركة الجزيئية. سجل النيتروجين، الذي شارك بشكل مباشر في الإثارة الأصلية، مزيجًا أكثر تعقيدًا من تغير توزيع الإلكترون والحركة الهيكلية.

يقول أنطونيو بيكون من معهد علوم المواد بمدريد، المجلس الأعلى للدراسات العلمية (ICMM-CSIC)، المؤلف المشارك للدراسة: “يمكننا الآن أن نرى أنه ليس كل موقع ذري يحكي نفس القصة في الإشارات التي نلتقطها من نبضات الأشعة السينية لدينا”. “تبلغ بعض الذرات أين تتجه الشحنة، بينما تكشف ذرات أخرى كيف يهتز الجزيء بأكمله.”

تعيد الأشعة السينية بناء انتقال عابر

لمتابعة هذه التغييرات، استخدم الباحثون التحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية (tr-XPS) في أداة الأنظمة الكمية الصغيرة (SQS) في XFEL الأوروبي. تعمل هذه الطريقة عن طريق إزالة الإلكترونات المرتبطة بإحكام من ذرات مختارة وقياس الطاقة التي تحملها تلك الإلكترونات. وتكشف التغيرات في تلك الطاقة كيف يتطور المحيط الكيميائي المحلي لكل ذرة.

أولاً، قامت نبضة من الأشعة فوق البنفسجية بإثارة الجزيئات. وصلت نبضة ناعمة من الأشعة السينية بعد تأخير تم التحكم فيه بعناية وأزالت الإلكترونات المرتبطة بعمق إما من النيتروجين أو الفلور. أدى تكرار القياس بعدة تأخيرات إلى إنتاج سلسلة من اللقطات التي امتدت لبضع بيكو ثانية فقط (جزء من تريليون من الثانية).

ثم قام الباحثون بدمج هذه القياسات مع عمليات المحاكاة والنماذج المتقدمة. وكانت هذه الخطوة ضرورية لربط طاقات الإلكترون المتغيرة مع التغيرات الجزيئية المسؤولة عنها، مما سمح للباحثين بإعادة بناء كيفية تطور الشحنة والحركة الذرية مع مرور الوقت.

التفاصيل الذرية توسع أبحاث الكيمياء الضوئية

توضح النتائج كيف يمكن لنبضات الأشعة السينية القصيرة والمكثفة لجهاز XFEL الأوروبي أن تفصل التغيرات الإلكترونية عن الحركة الهيكلية حتى عندما ينكشف كلاهما في وقت واحد تقريبًا. وتُظهر القياسات أيضًا لماذا يمكن أن يوفر فحص عدة مواقع ذرية وصفًا أكمل من مراقبة جزيء من موقع واحد فقط.

لا يقتصر النهج على 3 فلوروبيريدين. ويمكن استخدامه لتحليل التغيرات الهيكلية الناجمة عن الضوء في الأنظمة المتزايدة التعقيد – بدءًا من الجزيئات العضوية الوظيفية وحتى وحدات البناء الجزيئية الحيوية ومواد الطاقة.

يقول دانييل ريفاس، عالم الأجهزة السابق، والعالم الضيف الآن في SQS والمؤلف المشارك للدراسة: “هذا ما تم بناء XFEL الأوروبي لتمكينه: مراقبة التغير الكيميائي حيث يبدأ، في مواقع ذرية محددة وعلى مقياسه الزمني الطبيعي”. “من خلال الجمع بين حساسية المواقع المتعددة ودقة الفيمتو ثانية، فإننا نفتح نافذة جديدة على الآليات المجهرية التي تحكم الكيمياء الضوئية.”

المرجع: “التعزيز الضوئي لحساسية التحول الكيميائي للاهتزازات المحلية” بقلم آنا مارتينيز جوتيريز، أوليفر ألكساندر، بابلو إستيفيز ألونسو، لورنزو باولوني، تيري مولينز، أندريه الحداد، توماس إم بومان، ريبيكا بول، كريستوف بوستيدت، سيمون دولدو، جيلوني، ألبرتو دي جيلوني، جيلوني، ألبرتوس إيلشين، إياس إسماعيل، بيورن لاوتنشلاغر، توماسو مازا، دوشاي مونشيرام، سولين أوبيرلي، داوي بينغ، رالف بوتنر، سفيتوزار سيركيز، مارك سيمون، فلوريان ترينتر، سيرجي أوسينكو، مايكل ماير، جوناثان بي مارانجوس، خيسوس غونزاليس-دانييل فانز، إنيو ريكون، وأنطونيو ريكون. 10 يوليو 2026, مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية.
دوى: 10.1021/jacs.6c06538

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