Chiral rotational dynamics in the molecular frame: Breaking symmetry with angular momentum

تعد الكيرالية (Chirality) خاصية أساسية في الكون، وهي تصف الأجسام التي لا يمكن مطابقتها مع صورها المرآتية، تماماً كما لا يمكن لليد اليسرى أن تتناسب تماماً مع قفاز أيمن. في العالم الجزيئي، تنبع هذه "اليدوية" عادةً من الترتيب الساكن للذرات داخل الجزيء. ومع ذلك، فقد عرف العلماء منذ زمن طويل أن اليدوية يمكن أن تكون أيضاً سمة ديناميكية، تنشأ من الحركة بدلاً من البنية. وبينما تُفهم الكيرالية الساكنة الحقيقية جيداً، فإن شكلاً أكثر استعصاءً يُسمى الكيرالية "الزائفة" أو "الفردية الزمانية" (time-odd) يتضمن أنظمة تحدد فيها اتجاهات الحركة طبيعة اليدوية. هذا النوع من الكيرالية ينقلب إذا انعكس الزمن، مما يجعله حالة عابرة ومؤقتة. وقد كان فهم كيفية إنشاء وكشف هذه اليدوية الديناميكية في الجزيئات التي تكون عادةً متماثلة وغير كيرالية تحدياً كبيراً، لا سيما لأن ذلك يتطلب كسر تماثلات محددة دون إجبار الجزيئات على الاصطفاف في اتجاه واحد.

لقد اقترح فريق من الباحثين في جامعة برلين الحرة (Freie Universität Berlin) الآن طريقة لتوليد هذه اليدوية الديناميكية في الجزيئات غير الكيرالية عن طريق التحكم في دورانها. وبدلاً من محاولة محاذاة الجزيئات نفسها، يقترحون توجيه الزخم الزاوي للجزيء — وهو مقياس لحركة دورانه — على طول محور محدد داخل بنية الجزيء نفسه. ومن خلال القيام بذلك، يمكن جعل الجزيء غير الكيرالي يتصرف كما لو كان كيرالياً لفترة وجيزة. ويوضح الباحثون أنه يمكن تحقيق ذلك من خلال ضرب الجزيئات بتسلسل دقيق من النبضات الكهرومغناطيسية. ويحدد عملهم، المفصل في دراسة جديدة، الشروط الدقيقة اللازمة لكسر تماثل الجزيء الدوار ويوفر طريقة للكشف عن هذه اليدوية المستحثة باستخدام "التدوير الضوئي الإلكتروني الدائري" (photoelectron circular dichroism)، وهي تقنية تقيس كيفية قذف الإلكترونات من الجزيء.

يكمن جوهر هذا الاكتشاف في العلاقة بين شكل الجزيء ودورانه. فلكي يصبح الجزيء كيرالياً ديناميكياً، يجب أن يحدث دورانه حول محور يكسر تماثل المرآة الداخلي الخاص به. ووجد الباحثون أن مجرد دوران الجزيء ليس كافياً؛ بل يجب توجيه الدوران بطريقة محددة بالنسبة لإطار المرجع الخاص بالجزيء. ولتحقيق ذلك، حددوا أن نبضة واحدة من الضوء أو الإشعاع ليست كافية. بدلاً من ذلك، يجب ضرب الجزيء بثلاث نبضات على الأقل من الطاقة الكهرومغناطيسية، بحيث تكون كل منها مستقطبة في اتجاه عمودي على الآخرين. هذه "الركلة" ثلاثية الأبعاد ضرورية لكسر التماثل المستمر للمكان والتماثل الداخلي للجزيء في آن واحد، مما يجبر الزخم الزاوي على الاصطفاف على طول محور جزيئي محدد.

استكشف الفريق طريقتين مختلفتين لتوصيل هذه الركلة ثلاثية الأبعاد. تتضمن الطريقة الأولى استخدام ثلاث نبضات ميكروويف. وفي محاكاتهم، طبقوا هذه التقنية على جزيء يسمى كلوريد كربونيل الفلور (carbonyl chloride fluoride). وباستخدام ثلاث نبضات ميكروويف ذات استقطابات متعامدة فيما بينها، نجحوا في إنشاء حزمة موجية مترابطة حيث يتذبذب دوران الجزيء بين حالات اليد اليمنى واليد اليسرى. ويمكن التحكم في اتجاه هذا التذبذب ببساطة عن طريق تغيير توقيت أو ترتيب النبضات. ينتج هذا النهج كيرالية تنقلب ذهاباً وإياباً بسرعة، لكنه يعد دليلاً واضحاً على إمكانية استحثاث هذه اليدوية والتحكم فيها.

أما الطريقة الثانية، التي يشير الباحثون إلى أنها ربما تكون أكثر عملية لتطبيقات معينة، فتستخدم مزيجاً من النبضات الضوئية ونبضات التراهرتز (terahertz). في هذا السيناريو، قاموا بمحاكاة التأثير على جزيئات الفورمالديهايد. وهنا، تم استخدام نبضتين قصيرتين من الضوء المرئي ونبضة واحدة من التراهرتز لاستحثاث دوران أحادي الاتجاه. وخلافاً لطريقة الميكروويف، حيث تتذبذب اليدوية، تخلق هذه التقنية حالة يدور فيها الجزيء في اتجاه واحد مع يدوية مستمرة حتى بعد انتهاء النبضات. وأظهرت المحاكاة أن هذه الكيرالية المستحثة يمكن أن تصل قوتها إلى حوالي 11 بالمئة أثناء تسلسل النبضات، وتستقر عند مستوى قابل للكشف يبلغ حوالي 0.5 بالمئة بعد ذلك. وهذه الحالة المستمرة مهمة لأنها تحاكي سلوك الجزيئات الكيرالية الحقيقية، ولكن يتم توليدها بالكامل من خلال الحركة في جزيء متماثل بطبيعته.

وللتأكد من أن هذه الكيرالية الديناميكية كانت موجودة بالفعل ولم تكن مجرد احتمال نظري، اقترح الباحثون استخدام طريقة كشف محددة تسمى "التدوير الضوئي الإلكتروني الدائري". تتضمن هذه التقنية ضرب الجزيئات الدوارة بنبضة متأخرة من الأشعة فوق البنفسجية القصوى لطرد الإلكترونات. ووجد الباحثون أن الاتجاه الذي تطير فيه هذه الإلكترونات يعتمد مباشرة على يدوية دوران الجزيء. فإذا كان الجزيء يدور بطريقة "يسراوية"، تُقذف الإلكترونات بشكل تفضيلي في اتجاه واحد؛ وإذا كان يدور بطريقة "يمنية"، فإنها تطير في الاتجاه الآخر. وقد أكدت محاكاتهم أن هذه الإشارة حساسة بما يكفي للكشف عن الكيرالية الدورانية الصرفة، ذات الفردية الزمانية التي صنعوها، وتمييزها بوضوح عن ضجيج الخلفية للغاز العشوائي التوجه.

وتستبعد الدراسة صراحةً فكرة أن نبضة واحدة أو محاذاة بسيطة للجزيئات كافية لخلق هذا التأثير. وتجادل بأن عدم وجود الجمع المحدد من المجالات الثلاثة المتعامدة سيؤدي إلى بقاء تماثل النظام دون كسر، ولن يتم توليد أي يدوية صافية في غاز من الجزيئات عشوائية التوجه. علاوة على ذلك، يؤكد الباحثون أن هذا النهج لا يتطلب تثبيت الجزيئات في مكانها أو محاذاتها في اتجاه معين في المختبر، وهو ما كان يمثل عقبة رئيسية في المحاولات السابقة لدراسة مثل هذه الظواهر. ومن خلال العمل مع الدوران الداخلي للجزيئات بدلاً من موقعها الخارجي، يفتح هذا الأسلوب مساراً جديداً لاستقصاء كيف يمكن للحركة وحدها أن تملي السلوك الكيميائي.

يشير هذا العمل إلى طريقة جديدة للتمييز بين الكيرالية البنيوية، التي تكون مدمجة في الذرات، والكيرالية الديناميكية، التي تُخلق من خلال كيفية حركة تلك الذرات. كما يوفر أداة محتملة لدراسة ظواهر الكيرالية الضوئية ذات الفردية الزمانية، وهي التأثيرات التي تعتمد على اتجاه الزمن. وبينما تستند النتائج المعروضة إلى عمليات محاكاة حاسوبية، يشير الباحثون إلى أن المعدات المطلوبة لإجراء هذه التجارب — مثل مولدات الميكروويف، وليزر الضوء، ومصادر التراهرتز — متوفرة بالفعل. وإذا أمكن تنفيذ هذه المحاكاة في المختبر، فسيؤدي ذلك إلى توفير إطار عمل قوي للتحكم في التفاعلات الجزيئية من خلال الدوران، مما قد يؤدي إلى طرق جديدة لفصل الجزيئات ذات الصور المرآتية أو دفع التفاعلات الكيميائية التي قد تنتج عادةً خليطاً عشوائياً من كليهما.