اولین گام در تبدیل نور به انرژی شیمیایی یا مکانیکی جذب نور در یک مولکول است که منجر به تغییر ساختار آن مولکول می‌شود. ساختار حالات اولیه و نهاییِ چنان مولکولی معمولاً شناخته شده است اما گذار بین این دو حالت اغلب چنان سریع اتفاق می‌افتد که دانش‌مندان مجبورند به شبیه‌سازی‌های نظری متوسل شده و ساختارهای دینامیکی را تعیین کنند. این‌که حالت اولیه و نهایی مولکول چیست را می‌توان مشاهده کرد اما این‌که چگونه از یک ترکیب بندی به ترکیب‌بندیِ دیگر می‌رود جای بحث دارد. چنین اطلاعاتِ از دست‌رفته برای درک چگونگی واکنش‌های مولکولی و توسعه‌ی ابزارهایی برای کنترل این واکنش‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است. مایکل مینیتی (Michael Minitti) و همکارانش [1] از آزمایشگاه ملی SLAC در کالیفرنیا بتازگی گام‌ مهمی را بسوی تصویربرداری از حالات گذار با استفاده از پالس‌های اشعه‌ی ایکسِ پرانرژیِ فمتوثانیه‌ای برداشته‌اند تا واکنشی را کاوش کنند که در مقیاس زمانیِ ۱۰۰ فمتوثانیه رخ می‌دهد.

در زمینه‌ی پژوهشیِ فمتوشیمی [2] به مطالعه‌ی واکنش مولکولی با استفاده از طیف‌سنجی با پالس‌های لیزری فمتوثانیه‌ای پرداخته می‌شود. با استفاده از این پژوهش‌ها می‌توان تغییرات انرژی مولکول را به عنوان تابعی از زمان اندازه گرفت. این کار می‌تواند در تعیین مستقیم دینامیک ساختاریِ مولکول‌های ایزوله در طی واکنش مفید باشد. با این حال چالش اصلی آن است که بتوان به شکل همزمان به وضوحِ زیرآنگسترومیِ فضایی در تصویرسازی از اتم‌ها و وضوحِ زمانی زیر فمتوثانیه‌ای در مقیاس‌های زمانی دست یافت. با آزمایش‌های پراش که چه با الکترون‌ها و چه با اشعه‌ی ایکس انجام می‌شوند می‌توان ساختار مولکول‌ها را اندازه‌گیری کرد. وقتی یک موج از اتم‌های مختلفِ یک مولکول پراکنده می‌شود٬ این امواجِ پراکنده‌شده در روی آشکارساز باهم تداخل می‌کنند. با تحلیل این الگوی تداخلی می‌توان فاصله‌ی مابین اتم‌ها را بدست آورد. پیش‌تر٬ از پالس‌های الکترونی برای تعیین ساختارهای مولکولی گذاری در فاز گازی استفاده می‌شده است چون سطح مقطع پراکندگی برای الکترون‌ها بسیار بیشتر از اشعه‌ی ایکس با طول‌موج‌های قابل مقایسه است [3]. با این وجود اخیراً با توسعه‌ی لیزرهای الکترون آزاد اشعه‌ی ایکسِ بشدت درخشان و سخت (XFELs-extremely bright hard-x-ray free-electron lasers) در اصل٬ دست‌یابی به وضوح اتمی با پراش اشعه‌ی ایکس امکان‌پذیر شده است [4].

مینیتی و همکارانش در مطالعه‌ی خود از پالس‌های اشعه‌ی ایکس سختِ فمتوثانیه‌ای استفاده کرده‌اند تا آزمایش پراش اشعه‌ی ایکس با تفکیک زمانی را بر روی مولکول‌های 1,3-cyclohexadiene (CHD) (شکل ۱) به انجام برسانند. این اشعه‌های ایکس توسط XFEL در منبع نوری همدوسِ شتابدهنده‌ی خطی در آزمایشگاه ملی SLAC تولید شده است. مولکول CHD ساختاری حلقوی دارد. این ساختار حلقوی پس از جذب یک فوتون (در محدوده‌ی نور فرابنفش) در مقیاس زمانی ۱۰۰ فمتوثانیه گشوده می‌شود. این تیم پژوهشی واکنش نوری موردنظر را با استفاده از آزمایش «پمپ-پروب» انجام داده‌اند. واکنش با یک پالس لیزری فمتوثانیه‌ای فرابنفش کلید زده می‌شود (پمپ) و سپس با یک پالس اشعه‌ی ایکس (پروب) با پالس لیزری هم‌زمان می‌گردد. پالس اشعه‌ی ایکس از نمونه پراکنده می‌شود و الگوی تداخلی بر روی آشکارساز ثبت می‌شود. محققان با تغییر تاخیر زمانی مابین پالس‌های لیزر و اشعه‌ی ایکس این آزمایش را چندین بار تکرار کرده‌اند تا الگوهای تداخلی را در لحظات مختلفی از واکنش ثبت کنند.

پالس‌های XFEL طول عمر ۳۰ فمتوثانیه‌ای و انرژی ۸/۳ کیلوالکترون ولتی دارند که متناظر است با طول‌موج ۱/۵ آنگسترومی. طول‌موج پالس‌ها از اهمیت زیادی برخوردار است چون حداکثر وضوحی که می‌توان به آن دست یافت تقریباً با طول‌موج برابری می‌کند. در این آزمایش٬ طول‌موج‌ها برای آن‌که بتوان ساختارهای اتمی را مستقیماً از الگوی پراش بدست آورد٬ بسیار طولانی هستند. اما این تیم روش جایگزینی برای مشخص‌کردن ساختار حالت‌های مابینی در این واکنش‌ها را یافته‌اند. نویسندگان این مقاله از شبیه‌سازی‌های عددی برای محاسبه مسیرهای ممکن زیادی بهره‌برده‌اند که  مولکول‌ها (با داشتن انرژی فوتون فرابنفشی که جذب کرده‌اند) از حالت اولیه می‌توانند بدست آورند.

برای تعیین آن‌که کدام مسیرها در حقیقت در این آزمایش طی شده‌اند مینیتی و همکارانش الگوی تداخلی را برای تمامی مسیرهای ممکن محاسبه کرده و آن‌ها را با الگوهای اندازه‌گیری‌شده مقایسه کرده‌اند. آن‌ها با استفاده از یک ابزار ریاضی که به بهینه‌سازی غیرخطی حداقل‌مربعات (nonlinear least-squares optimization) معروف است دریافته‌اند که تنها چندمسیر نیاز است تا نتایج این محاسبات با نتایج آزمایش تطابق داشته باشند. با داشتن این ساختارها پژوهش‌گران موفق به ساختن فیلمی از واکنش مولکولی شده و تعیین کرده‌اند که این واکنش در ۸۰ فمتوثانیه انجام می‌پذیرد. این زمانِ واکنش با اندازه‌گیری‌های طیف‌سنجی قبلی هم‌خوانی دارد اما این آزمایش اطلاعاتی را در مورد چگونگی تحول شکل حالات میانی در زمان را نیز فراهم می‌کند.

نتایجِ این پژوهش مسیر تازه‌ای به سوی تلاش‌هایی برای ساختن فیلم‌های مولکولی باز می‌کند. هرچند آزمایش‌های تداخل الکترونی با تفکیک زمانی٬ وضوح فضایی کوچک‌تری نسبت به آن‌چه اینجا بدست آمده دارند اما روش ارائه شده وضوحِ زمانی بالاتری را از خود نشان می‌دهد. این وضوح برای دنبال کردن حرکت اتم‌ها حین یک واکنش ضروری است. چالش پیش‌رو برای پراش اشعه‌ی ایکسِ سختِ فمتوثانیه‌ای٬ بهبود بخشیدن به وضوح فضایی خواهد بود تا بتوان جزئیات بیشتری را از ساختار مولکولی بدست آورد که با رفتن به انرژی‌های بالاتر (طول‌موج‌های کوتاه‌تر) و پالس‌های اشعه‌ی ایکس روشن‌تر قابل دست‌یابی است.

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.     

مرجع‌ها: 

1.       M. P. Minitti et al., “Imaging Molecular Motion: Femtosecond X-Ray Scattering of an Electrocyclic Chemical Reaction,” Phys. Rev. Lett. 114, 255501 (2015)

2.       http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1999/

3.       H. Ihee, V. A. Lobastov, U. M. Gomez, B. M. goodson, R. Srinivasan, C. Y. Ruan, and A. H. Zewail, “Direct Imaging of Transient Molecular Structures with Ultrafast Diffraction,” Science 291, 458 (2001)

4.       P. Emma et al., “First Lasing and Operation of an Ångstrom-Wavelength Free-Electron Laser,” Nature Photon.4, 641 (2010)

درباره‌ی نویسنده:

مارتین سنتیریون (Martin Centurion) دانشیار دپارتمان فیزیک و ستاره‌شناسی در دانشگاه نبراسکا لینکن است. وی پی‌اچ‌دی خود را در سال ۲۰۰۵ از کلتک کسب کرده و در آن‌جا به مطالعه‌ی سالیتون‌های اپتیکی و توسعه‌ی روش هولوگرافیک برای تصویرسازی از انتشار نوری پرداخته بود. پس از گذراندن یک سال دوره‌ی پسادکتری در کلتک٬ وی پسادکتری را در موسسه‌ی ماکس پلانک اپتیک کوانتومی در گارچینک را تا سال ۲۰۰۹ گذرانده و به دانشگاه نبراسکا بعنوان دانشیار ملحق شده است. پژوهش جاری او تصویربرداری فوق سریع از دینامیک مولکولی٬ درک اندرکنش مولکول‌ها با نور لیزر شدید و توسعه‌ی منابع جدید برای پالس‌های الکترونیِ فوق‌کوتاه روشن را شامل می شود.

منبع:

Making a Molecular Movie with X Rays