Chiral Torsional Double Wells: Tunneling and Polarizability
تُظهر هذه الدراسة أنه بينما تنخفض معدلات النفق الكمومي بين المتشكلات الكيرالية في بيروكسيد الهيدروجين، والديسلفيد، والديسيلينيد بشكل كبير عبر هذه السلسلة، فإن الاستقطابية الانتقالية الجوهرية تظل قوية أو حتى تزداد لأن الخاصيتين تعتمدان على مناطق مختلفة من مشهد جهد الالتواء.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم الجزيئات المجهري، الشكل هو المصير. بعض الجزيئات تكون كيرالية (chirality)، مما يعني أنها توجد في شكلين هما صورتان مرآتيتان لبعضهما البعض، تماماً مثل اليد اليسرى واليد اليمنى. هذان الإصداران لا يمكن تطابقهما؛ فهما كيانان متميزان. لسنوات عديدة، فُتن العلماء بكيفية تبادل هذه الأشكال المرآتية لأماكنها. في بعض الجزيئات البسيطة، لا تكون الذرات مقيدة في بنية صلبة، بل يمكنها الالتواء والدوران، مما يسمح للجزيء بالتحول من شكله الأيسر إلى شكله الأيمن والعودة مرة أخرى. يحدث هذا التقلب من خلال عملية تسمى النفق الكمومي (quantum tunneling)، وهي ظاهرة حيث يمر جسيم عبر حاجز لا يبدو قادراً على تسلقه، لمجرد أن قوانين ميكانيكا الكم تسمح له بالتواجد على الجانب الآخر. تحدد سرعة هذا التقلب المدة التي يقضيها الجزيء في شكل واحد قبل أن يصبح صورته المرآتية. إن فهم هذه السرعة أمر بالغ الأهمية لمجالات تتراوح من الكيمياء إلى دراسة أصول الحياة، حيث تخبرنا مدى استقرار هذه الأشكال وكيفية تفاعلها مع الضوء.
وضع فريق من الباحثين هدفاً لاستقصاء سؤال محدد حول عملية التقلب هذه في ثلاثة جزيئات مرتبطة ببعضها: فوق أكسيد الهيدروجين، وثاني كبريتيد الهيدروجين، وثاني سيلينيد الهيدروجين. تشترك هذه الجزيئات في بنية مماثلة، حيث ترتبط ذرتان من الهيدروجين بسلسلة من ذرتين أخريين (الأكسجين، أو الكبريت، أو السلكينيوم). أراد الباحثون معرفة ما إذا كان إبطاء عملية النفق — أي جعل التقلب يستغرق وقتاً أطول — سيؤدي أيضاً إلى إضعاف قدرة الجزيء على التفاعل مع الضوء بطريقة معينة. في الفيزياء، غالباً ما يُقاس هذا التفاعل بشيء يسمى القابلية للاستقطاب (polarizability)، والتي تصف مدى سهولة تشويه السحابة الإلكترونية للجزيء بواسطة مجال كهربائي. قد يوحي الحدس السائد بأنه إذا كان الجزيء بطيئاً ويستغرق وقتاً طويلاً للتقلب، فإن استجابته الداخلية للضوء ستكون ضعيفة أيضاً. ومع ذلك، وجد الباحثون أن هذا الحدس غير صحيح؛ فقد اكتشفوا أنه حتى مع تباطؤ عملية النفق بشكل كبير، ظلت قدرة الجزيء على الاستجابة للضوء قوية، بل وفي بعض الحالات، أصبحت أقوى.
ولكشف العلاقة بين هذه الأمور، بنى العلماء نموذجاً حاسوبياً مفصلاً لهذه الجزيئات الثلاثة. بدأوا بحساب مشهد الطاقة الدقيق الذي تمر عبره الجزيئات أثناء التوائها. يشبه هذا المشهد وادياً به منخفضان، يفصل بينهما تلة. يمثل المنخفض الأول الشكل الأيسر، ويمثل المنخفض الآخر الشكل الأيمن. يستقر الجزيء في أحد المنخفضين، ولكن بفضل ميكانيكا الكم، يمكنه النفق عبر التلة إلى المنخفض الآخر. استخدم الباحثون طرقاً حسابية متقدمة لرسم هذه التضاريس بدقة عالية، مع مراعاة كتل الذرات والقوى التي تمسك بها. ثم قاموا بحساب الحالات الكمومية المحددة التي يمكن للجزيء أن يشغلها داخل هذا الوادي، وحددوا السرعة التي سينفق بها من جانب إلى آخر. والأهم من ذلك، أنهم حسبوا قابلية الاستقطاب الخاصة بالجزيء، وتحديداً كيفية استجابته للضوء أثناء التوائه، ليروا ما إذا كانت هذه الخاصية تتغير بالتزامن مع سرعة النفق.
كشفت النتائج عن انفصال صارخ بين سرعة التقلب وقوة التفاعل مع الضوء. فعندما انتقل الباحثون من فوق أكسيد الهيدروجين إلى ثاني كبريتيد الهيدروجين ثم إلى ثاني سيلينيد الهيدروجين، تباطأ وقت النفق بمعامل يزيد عن ستة ملايين ضعف. لقد تحول الجزيء من التقلب في أجزاء من تريليون من الثانية إلى استغراق عدة ميكروثوانٍ، وهو فرق شاسع في عالم الجزيئات. ورغم هذا التباطؤ الهائل، لم تتلاشَ قوة تفاعل القابلية للاستقطاب، بل على العكس، زادت بنسبة تقارب ستين بالمائة. وجد الباحثون أن سرعة النفق تعتمد على مدى سهولة اختراق الجزيء للحاجز بين الشكلين، وهي عملية تصبح أصعب بكثير كلما زادت كتلة الذرات. في المقابل، يتم تحديد القابلية للاستقطاب بناءً على ما يحدث في أعماق الوديان حيث يقضي الجزيء معظم وقته. ولأن شكل هذه الوديان وسلوك الإلكترونات داخلها ظل ملائماً، فقد احتفظ الجزيء بقدرته القوية على التفاعل مع الضوء، بغض النظر عن مدى بطء تقلبه.
وللتأكد من أن الأمر يتعلق حقاً بالكتلة وليس بتغيير في البنية الإلكترونية للجزيء، أجرى الفريق اختباراً مضبوطاً باستخدام فوق أكسيد الهيدروجين. استبدلوا ذرات الهيدروجين الخفيفة بذرات ديوتيريوم أثقل، وهي نسخة أثقل من الهيدروجين، مع إبقاء بقية الجزيء كما هو تماماً. أدى هذا التغيير إلى إبطاء وقت النفق بمقدار سبعة أضعاف تقريباً، ومع ذلك، تغير تفاعل القابلية للاستقطاب بنسبة أقل من اثنين بالمائ% . أثبتت هذه التجربة أن إبطاء التقلب وقوة الاستجابة للضوء محكومان بأجزاء مختلفة من فيزياء الجزيء؛ فوقت النفق حساس لعبور الحاجز، بينما القابلية للاستقطاب هي خاصية للأشكال المستقرة نفسها. كما بحثت الدراسة في حالات الطاقة الأعلى حيث كانت الجزيئات أكثر إثارة، ووجدت أنه حتى عندما تباين وقت النفق بعدة مراتب عشرية، ظلت القابلية للاستقطاب مستقرة بشكل ملحوظ.
تشير هذه النتيات إلى أن قدرة الجزيئات الكيرالية على التفاعل مع الضوء لا ترتبط بمدى سرعة تقلبها بين الأشكال. وهذا يعد رؤية مهمة للعلماء الذين يأملون في استخدام الضوء للتحكم في هذه الأشكال المرآتية أو التمييز بينها. فإذا كانت قوة التفاعل تتلاشى مع تباطؤ الجزيئات، فسيكون من الصعب جداً التحكم فيها باستخدام الليزر أو الأدوات البصرية الأخرى. إن حقيقة بقاء التفاعل قوياً حتى بالنسبة للجزيئات بطيئة التقلب تعني أن الباحثين لديهم آلية فيزيائية متينة للعمل بها. تؤكد الدراسة أنه بينما يمكن إبطاء "ساعة" التقلب الجزيئي عن طريق تغيير الذرات، فإن استجابة الجزيء الجوهرية للضوض تظل سمة ثابتة وقوية. هذا الفصل بين الأطر الزمنية والقوة يوفر صورة أوضح لكيفية سلوك الجزيئات الكيرالية، مما يقدم أساساً صلباً للتجارب المستقبلية التي تهدف إلى التحكم في اليدوية الجزيئية باستخدام الضوء.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.