Kiedy substancje chemiczne tańczą, jak im zagramy
Dr Matthias Kübel z Uniwersytet Ludwika i Maksymiliana w Monachium dokonał istotnego przełomu związanego z wykorzystaniem laserów w badaniach reakcji chemicznych w ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu ATTOCHEM. Dzięki wsparciu z programu Maria Skłodowska-Curie, dr Kübel spędził dwa lata przy Krajowej Radzie Badań Naukowych w kanadyjskiej Ottawie, gdzie badał zachowanie elektronów oraz jąder atomowych w czasie reakcji fotochemicznych, wywoływanych przez absorpcję światła. Drugim obszarem prowadzonych przez niego badań były sposoby manipulowania cząsteczkami. Dr Kübel uważa, że prowadzone przez niego badania pozwolą naukowcom lepiej zrozumieć zachowanie i ruchy elektronów podczas reakcji fotochemicznych, takich jak na przykład fotosyntezy roślin, a także mechanizmy powstawania uszkodzeń DNA i zjawiska takie jak widzenie przez ludzkie oko. Lepsze zrozumienie i poszerzona wiedza na temat tych zjawisk może stanowić klucz do kontroli związanych z nimi reakcji chemicznych, co z kolei może otworzyć drogę do przełomów w zakresie opracowywania nowych, ekologicznych źródeł energii oraz zapobiegania uszkodzeniom DNA, które mogą prowadzić do rozwoju nowotworów. Jak wyjaśnia, „biocząsteczkę można wyobrazić sobie jako niewielką maszynę, która realizuje pewne określone zadanie. Maszyny włączają się z chwilą wzbudzenia jednego (lub kilku) spośród ich elektronów, które powoduje ruch elektronów, czyli powstawanie prądu wewnątrz cząsteczki. Dotychczas byliśmy w stanie zwizualizować strukturę naszych małych maszyn, jednak nie mieliśmy wielu możliwości, aby zobaczyć jak działają w praktyce”. W laboratorium Krajowej Rady Badań Naukowych, dr Kübel opracował metodę pozwalającą na podejrzenie pracy tych małych maszyn, a także obrazowanie dynamiki elektronów oraz jąder komórek stanowiącej podstawę szybkich reakcji chemicznych. To naprawdę duże osiągniecie, biorąc pod uwagę fakt, że elektrony poruszają się niezwykle szybko – czas ich ruchu mierzymy zwykle w skali femto- lub nawet attosekund (0,000000000000000001 sekundy). W porównaniu do jednej sekundy attosekunda to mniej więcej tyle samo, co jedna sekunda w porównaniu do całkowitego wieku wszechświata. W ramach prowadzonych przez siebie prac, dr Kübel opracował nowy rodzaj kamery smugowej, który umożliwił mu dokonanie pomiarów ruchu elektronów w silnych polach laserowych w skali attosekund. Metoda ta została przez niego nazwana techniką STIER. Najkrótszy czas w przyrodzie Tradycyjna kamera smugowa zawiera parę płyt, do których przykładane jest szybko zmieniające się napięcie. Zmienne napięcie jest wykorzystywane do rozłożenia sygnału zależnego od czasu na czujnik wykrywający położenie, co pozwala na odwzorowanie czasu i przestrzeni. Dr Kübel uznał jednak, że takie rozwiązanie nie jest wystarczająco szybkie na jego potrzeby. Z tego powodu zastąpił zmieniające się napięcie polem lasera podczerwonego. „Dzięki temu rozwiązaniu zmiany pola elektrycznego następują nawet 1 000 razy szybciej niż w przypadku zastosowania konwencjonalnej elektroniki, przy zapewnieniu doskonałej kontroli nad procesem”, tłumaczy naukowiec. Rozwiązanie to pozwoliło mu na odwzorowanie zależności czasowej jonizacji silnego pola względem końcowej prędkości fotoelektronów. Następnie naukowiec dokonał pomiarów przy pomocy spektrometru fotoelektronowego, pozwalającego na uzyskanie pomiarów w skali attosekund. Poza możliwością obserwowania cząsteczek w ruchu, projekt ATTOCHEM udowodnił, że technika STIER może być sposobem na modyfikowanie budowy cząsteczki. „Możemy manipulować geometriami, w przypadku których cząsteczka się rozdziela oraz takimi, w przypadku których tego nie robi”, mówi dr Kübel. „Dokonaliśmy tego w przypadku prostego wodoru cząsteczkowego – rezultaty są zaskakujące i bardzo odbiegają od wcześniejszych obserwacji”. Metoda ta została również wykorzystana przez naukowca do selektywnego rozdzielania wiązań w acetylenie. Dr Kübel oczekuje na możliwość kontynuacji swoich badań w Niemczech, gdzie skupi się na bardziej złożonych cząsteczkach. „Opracowywanie nowych substancji chemicznych i odkrywanie nowych sposobów reakcji dzięki zastosowaniu światła laserowego stanowi spełnienie marzeń o pełnej kontroli”.
Słowa kluczowe
ATTOCHEM, elektrony, cząsteczki, kamera smugowa, reakcje chemiczne, DNA, fotosynteza
