Nebraska-Lincoln Üniversitesi, Stanford Üniversitesi ve Avrupa’dan bir fizikçi ekibi, (fotosentez reaksiyonu) fotosentezden, ışıktan ve ozon tabakasından sorumlu olan hafif yakıtlı moleküler dönüşümlerin türüne dair en net noktayı yakaladı.
Araştırmacılar, beş atomlu bir molekülün atomik çekirdeklerinin ve kimyasal bağlarının, bir lazer tarafından vurulduğunda nasıl tepki verdiğini tam olarak kaydetti.
Science Dergisi‘nin 6 Haziran sayısında yer alan ekibin çalışması, “moleküler filmlerin” kalitesini, ilkel bir durma-devinimin yüksek tanımlı bir canlandırmaya yükseltmek için uzun yıllar süren çabaların doruğuna işaret ediyor.
NebraskaSusan J. Rosowski’den fizik ve astronomi profesörü Martin Centurion, “İnsanlar bu şeyleri uzun zamandır modelliyorlardı. Ama bu modellerin doğru olup olmadığını test etmenin gerçekten iyi bir yolu yoktu. Şimdi, modellerimizin tahmin edeceği şeylerle deneysel olarak neler olduğunu karşılaştırmanın bir yolu var.” Dedi.
“Bunun çok önemli olmasının nedeni, birçok farklı molekülün bulunması ve onları birçok farklı dalga boyunda (ışıktan) uyarabilmenizdir. Her şey üzerinde deneyler yapmanın hiçbir yolu yoktur. Bu yüzden bir noktada güvenilir olan bir çeşit model. “
Centurion, bu modellerin rafine edilmesinin yıllar süren çalışma ve pek çok araştırma gerektirmesine rağmen, bilim araştırmasının atom ölçeğinde fotokimyasal reaksiyonları daha iyi anlamak için deneysel verileri kullanmaya yönelik yeni bir referans noktası oluşturduğunu söyledi.
Bu kavrayış, nihayetinde önemli uygulamalara yol açabilirdi. Güneş hücreleri biçiminde topladıkları enerjiyi veya özel molekülleri yenilenebilir yakıtlar üretebilen tepkimeleri katalize etmek için daha iyi depolayabilirler.
Çekirdek Aile
Molekülleri oluşturan bağlı atomlar, ışığın temel bileşenleri olan fotonlar tarafından vurulduğunda bir enerji artışı sağlar. Bu enerjinin birçok etkisi olabilir: atomları geçici harekete başlayarak; onları yeni yapılara yeniden yerleştirmek; hatta diğer küçük molekülleri oluşturmak için bağlarını koparır.
2012’den bu yana, Stanford’un SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı‘ndaki Centurion ve meslektaşları, bu atomik dinamikleri, ışığın neredeyse hızında hareket eden elektronların lazerleri ve darbeleri ile gazla askıya alınmış molekülleri çarparak yakalamaya çalıştılar.
Bu elektronların lazerle uyarılmış molekülleri sektirdikten sonra oluşturdukları desenler, atomlarının yeri hakkında bilgi sağlar. Bu yerleri sürekli olarak kaydederek, onları bir sinema filminin çerçeveleri gibi bir araya getirerek, daha önce basit moleküllerin dinamiklerini takip etmeyi başardı: karbon disülfid, azot, iyot.
Bu kez, araştırmacılar, üç florin atomu, bir karbon ve bir iyot içeren daha karmaşık bir molekülün (triflorometil iyodür) davranışını kaydettiler. Bunu yaparken, molekülün iyot atomunu bağından koparak bir karbon atomu ile yakaladılar.
Ekip ayrıca, molekülün bir ya da iki fotonu da absorbe edebileceğini keşfetti. Tüm moleküller gibi, triflorometil iyodür bir gazın içinde yüzerken rasgele döner. Centurion ve meslektaşları, ışığa yaklaşan elektrik alanına paralel olarak moleküllerin iki fotonu taklit etme şansına sahip olmadıklarını, ancak bunların en yüksek emme kapasitesine sahip olduklarını buldular. Bunun tersi de doğrudur. Elektrik alanına dik olan moleküller sadece bir foton alamazlar, ancak ikiyi absorbe etme şansına sahiptirler.
Her iki fenomen de molekülün karbon-iyot bağını kırabileceği bulundu. Ancak bunu farklı şekillerde yapar. Centurion, tek foton reaksiyonunun çok daha basit olduğunu söyledi.
Molekül tek bir fotonu emdiğinde, iyot çekirdeğini çevreleyen elektron hızlı bir şekilde daha yüksek bir enerji durumuna atlar. Bu da iyodun komşu karbon atomundan uzaklaşmasına neden olur ve bağlarını kırılma noktasına kadar zorlar.
Yeni serbest bırakılmış iyot atomunun büyük kütlesi, onun yakın kalan üç karbon atomuna bağlı kalan ancak sonunda dinlenmeye başlamadan önce ileri geri sallanan hafif karbon atomunu yakın ve güçlü bir şekilde geri döndürdüğü anlamına gelir.
Aksine, iki-foton reaksiyonunun karmaşıklığı, ekibin, molekülün yeni enerjisinin dağılımının atomlarının hareketini ve karbon-iyodunun yayılma hareketini nasıl etkileyebileceğini detaylandıran dallanma, grafik çizimlerini zorunlu kılmıştır. Tüm bu faktörler ve diğerleri, fotokimyasal reaksiyonun genel olasılığını ve zamanını belirler.
Ancak, Newton fiziğinin kesinliği atomik ölçekte kuantum mekaniğinin olasılıksal yasaları ile yer değiştirir. Burada atomik çekirdeğin veya onun yörüngesindeki elektronun pozisyonu ve momentumunun her biri belirli bir anda gözlemlenme olasılığı olan birkaç potansiyel değere sahip olabilir.
Bir değişkenin fiili sonucu, bir diğerinin olasılıklarını etkileyebilir. Bu da bir diğerininkileri değiştirebilir. Böylece birkaç uç noktaya kadar birçok potansiyel yol ile sonuçlanabilir.
Bu yollardan bazılarında, iyot atomu serbest kalır. Diğerleri karbondan ayrılmadan önce bir ya da daha fazla kez ileri ve geri yayılıyor. Bu karmaşıklığa rağmen, ekip molekülün değişkenlerinin her bir atom çekirdeğinin ve bu atomların göreceli konumlarının yörüngesinde bulunan elektronların enerji durumları da dahil olmak üzer- hangi bir fotokimyasal reaksiyona en direkt yolu çizdiğini tespit etmeyi başardı.
Centurion, “Bu, enerji alanında benzersiz bir nokta. Çünkü bu moleküllerin bir alandan diğerine geçişlerinin çoğunu yönlendiriyor. Bu geçişleri çok hızlı ve çok verimli bir şekilde sürdürebilir. Bazen, bir molekülünüz var. Ona enerji koyarsınız ve prensip olarak, bu enerjinin dağıtılabileceği birçok yol vardır.” Dedi.
Tepki Vermek Yada Vermemek
SLAC laboratuarındaki teknik gelişmeler, ekibin, moleküler hareketin daha fazla karesini yakalamasına olanak tanıyarak, moleküllere ateşlediği elektron darbelerinin süresini kısaltmasına izin vermiştir.
Ekip daha önce 200 femtosaniye kadar devam eden nabız atışı yaparken, son zamanlarda kabaca 150 femtosaniye (bir saniyeyle 1 saniyelik bir zaman diliminin yaklaşık 211,000 yıl ile karşılaştırıldığı) zamana indirgemiştir.
Centurion, ekibin yakında, DNA temellerinin (genetik kodun temel bileşenleri) ultraviyole ışığa nasıl tepki verdiğini incelemek için geliştirilmiş düzeni kullanacağını söyledi.
DNA, bir şekilde, UV ışığının enerjisinin çoğunu, fotokimyasal bir reaksiyona kanalize etmekten çok, ona zarar verecek şekilde ısıya aktarır. Moleküllerin tasarımını istenmeyen reaksiyonlara benzer bir dirençle nasıl bilgilendirebileceği hakkında daha fazla şey öğrenmek. Centurion bunun tersinin de yararlı olacağını söyledi.
Centurion, “Güneş pilleri inşa etmek istiyorsanız, tüm enerjiyi kullanabileceğiniz bir çeşit kimyasal reaksiyona dönüştüren bir molekül istersiniz. İdeal durumda, enerjiyi çok verimli bir şekilde emen ve sonra sadece depolayan bir şeye sahip olursunuz. Şu anda, bir Güneş paneli gece size yardımcı olmaz. Ama enerjinin çoğunu emen bir malzeme olduğunu hayal edin.
O zaman onu sadece orada depolar, belki de farklı bir kimyasal yapıya sahip olursunuz. Küçük bir tetikleyici verirsiniz ve yavaş yavaş enerjiyi serbest bırakır. Depolama daha fazla bir sorun haline gelir, çünkü hiç kimse bodrum katında büyük bir bataryaya sahip olmak istemez.” dedi.
Giderek karmaşıklaşan moleküllerin fotokimyasal reaksiyonlarını kaydederek öğrenilen dersler, daha iyi katalizörlerin, yani suyun oksijen ve hidrojene ayrılması gibi tepkimeleri tetikleyebilen ve hızlandıran molekülleri denetlemeye yardımcı olabilir. Centurion, aynı molekülün farklı tepkileri bile katalize edebileceğini söylerken, ışığın dalga boyuna dayandığını söyledi.
Centurion “Bütün olduklarında, reaktif değiller ve sonra kırıldılar, bazı kimyasal reaksiyonları tetikleyebilirler. Bu moleküllerin bazılarına gaz fazında bakmaya başlıyoruz ve bu fikir sadece parçalanma sürecini anlamaktır. Eğer bu frekansla vurursanız, hangi parçalara sahip olursunuz? Bu başka bir frekansla vurursanız, başka hangi parçaları yapacaksın? Ne kadar hızlı çıkacaklar? ” dedi.
Ülke çapında araştırma ekipleri artık SLAC laboratuvarının elektron kamerasını kullanmaya ve kendi moleküler filmlerini üretmeye başlıyorlar. Centurion, her birinin farklı bir fotokimyasal reaksiyonun arkasındaki hikayeyi ortaya çıkarabileceğini söyledi.
Centurion “Bu iyi, çünkü farklı insanların farklı çıkarları var. Bazı fikirlerim var, ama diğer insanların farklı ve daha iyi fikirleri var. Bu yüzden, tüm ilginç örneklerle ortaya çıkmaya çalışmak yerine, en iyi yolun bunu diğer insanların da kullanabilmesi için açacağını düşünüyorum.” Dedi.
