Μια νέα επιστημονική μέθοδος επιτρέπει πλέον την παρακολούθηση χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο, κάτι που μέχρι σήμερα παρέμενε αόρατο στους ερευνητές. Η ανακάλυψη βασίζεται στη χρήση του ευρωπαϊκού εργαστηρίου European XFEL και αφορά την παρακολούθηση της ηλεκτρονικής και δονητικής δυναμικής ενός μορίου, μέσα σε χρονικά διαστήματα λίγων τρισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Η μελέτη έρχεται να σπάσει ένα φράγμα που κρατούσε τη μοριακή χημεία εκτός οπτικού πεδίου της επιστήμης εδώ και δεκαετίες.
Πώς καταγράφηκαν οι χημικές αντιδράσεις σε πραγματικό χρόνο
Οι ερευνητές επέλεξαν να μελετήσουν το μόριο 3-φθοριοπυριμιδίνη, ένα μικρό μόριο δομημένο γύρω από έναν δακτύλιο ατόμων. Η επιλογή δεν ήταν τυχαία, καθώς τα άτομα αζώτου και φθορίου που περιέχει μπορούσαν να λειτουργήσουν ως ξεχωριστά σημεία παρατήρησης κατά τη διάρκεια της ίδιας αντίδρασης. Ένας σύντομος παλμός λέιζερ υπεριώδους ακτινοβολίας έδωσε στο μόριο την αρχική ενέργεια, οδηγώντας το σε μια ηλεκτρονικά διεγερμένη κατάσταση, όπου τα ηλεκτρόνια κατέλαβαν προσωρινά μια διάταξη υψηλότερης ενέργειας.
Αμέσως μετά, η κανονικά επίπεδη δομή του μορίου άρχισε να παραμορφώνεται, φτάνοντας σύντομα σε ένα σημείο που οι επιστήμονες αποκαλούν κωνική τομή. Πρόκειται για ένα φευγαλέο σημείο συνάντησης όπου τέμνονται δύο ηλεκτρονικές ενεργειακές καταστάσεις, με τις κινήσεις των ηλεκτρονίων και των ατομικών πυρήνων να συνδέονται τόσο στενά ώστε το μόριο να μεταβαίνει γρήγορα από τη μία κατάσταση στην άλλη. Μετά τη διέλευση από αυτό το σημείο, η 3-φθοριοπυριμιδίνη επέστρεψε στη θεμελιώδη της κατάσταση, δηλαδή στη χαμηλότερη δυνατή ηλεκτρονική ενέργεια, ενώ η ενέργεια που είχε αποθηκευτεί ηλεκτρονικά δεν χάθηκε, αλλά μετατράπηκε σε μοριακή δόνηση.
Οι μετρήσεις των ερευνητών αποκάλυψαν κάτι ιδιαίτερα ενδιαφέρον: τα άτομα στο εσωτερικό του ίδιου μορίου μπορούν να καταγράψουν διαφορετικά στάδια της ίδιας αντίδρασης που καθοδηγείται από το φως. Το ένα άτομο προσέφερε καθαρότερη εικόνα του κινούμενου ηλεκτρικού φορτίου, ενώ το άλλο αντανακλούσε τον τρόπο με τον οποίο δονούνταν η μοριακή δομή. Τα αποτελέσματα έδειξαν επιπλέον ότι η διέγερση από το φως μπορεί να κάνει ένα άτομο πιο ευαίσθητο στην κίνηση των γειτονικών του ατόμων.
Γιατί έχει σημασία η νέα μέθοδος παρατήρησης
Η ικανότητα διάκρισης των ηλεκτρονικών και δομικών αλλαγών σε πραγματικό χρόνο ανοίγει τον δρόμο για βαθύτερη κατανόηση θεμελιωδών διαδικασιών που καθοδηγούνται από το φως. Μέχρι σήμερα, οι ταχύτατες αλλαγές στο εσωτερικό ενός μορίου παρέμεναν αόρατες, καθώς τα κοινά επιστημονικά όργανα δεν μπορούσαν να παρακολουθήσουν φαινόμενα που εξελίσσονται σε τόσο μικρά χρονικά διαστήματα. Οι αναλαμπές που παρήγαγε το European XFEL ήταν αυτές που επέτρεψαν στους ερευνητές να ανασυνθέσουν την αλληλουχία των γεγονότων άτομο προς άτομο.
Η νέα αυτή δυνατότητα παρακολούθησης χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο θεωρείται σημαντική για την κατανόηση φαινομένων που μέχρι σήμερα μελετούνταν μόνο έμμεσα. Η δυνατότητα να «βλέπει» κανείς πώς ένα μόριο αλλάζει σχήμα και ενέργεια μέσα σε τόσο μικρό χρονικό διάστημα δίνει στους ερευνητές ένα εργαλείο που δεν υπήρχε μέχρι σήμερα.
Τι ακολουθεί για την έρευνα
Ανάμεσα στους πιθανούς τομείς εφαρμογής της μεθόδου, οι ερευνητές αναφέρουν τη μελέτη των μηχανισμών που προστατεύουν το DNA από τις βλάβες που προκαλεί το φως, καθώς και τη μεταφορά ενέργειας μέσα από υλικά που συλλέγουν φως. Πρόκειται για δύο πεδία όπου η δυνατότητα παρακολούθησης χημικών αντιδράσεων σε πραγματικό χρόνο θα μπορούσε να δώσει απαντήσεις σε ερωτήματα που έως σήμερα παρέμεναν ανοιχτά, βελτιώνοντας τη γνώση γύρω από βασικές βιολογικές και ενεργειακές διεργασίες.
