پالسهای لیزری فوقکوتاه یک تصویر لحظهای از «دستداد مولکولی»
توسط کالج علوم دانشگاه LSU
ویرایش توسط گابی کلارک، بازنگری توسط رابرت ایگان
مایعات و محلولها محیطهای پیچیدهای هستند — برای مثال، شکر که در آب حل میشود، در این حالت هر مولکول شکر توسط جمعیتی پرجنبوجوش از مولکولهای آب احاطه میشود. درون سلولهای زنده، این تصویر حتی پیچیدهتر میشود: قطرات ریز مایع پروتئینها یا RNA را حمل میکنند و به سازماندهی شیمی سلول کمک میکنند.
با وجود اهمیتشان، محیطهای مایع بهطور فزایندهای در مطالعه در سطح مولکولها و الکترونهای منفرد دشوارند. چالش اصلی این است که مایعها ساختار ثابت ندارند و تعاملات فوقسریع بین حلشونده و حلال — جایی که شیمی بهطور واقعی رخ میدهد — تا به حال برای دانشمندان بهطور عمده نادیده مانده است.
طیفسنجی هارمونیکهای بالا جزئیات جدیدی را آشکار میکند
یک تیم از پژوهشگران دانشگاه ایالت اوهایو و دانشگاه ایالت لوئیزیانا اکنون نشان دادهاند که طیفسنجی هارمونیکهای بالا (HHS) — یک تکنیک نورانی غیرخطی که قادر به ثبت دینامیک الکترونها در مقیاس زمان آتوثانیهای است — میتواند ساختارهای کوچک و موضعی را که هنگام حل شدن یک مایع در دیگری تشکیل میشود، آشکار سازد. این مطالعه که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است، گامی مهم به سوی بررسی مستقیم تعاملات حلشونده‑حلال در فاز مایع را نشان میدهد.
در HHS، از پرتوهای لیزری فوقسریع استفاده میشود تا بهطور مختصر الکترونها را از مولکولهایشان جدا کرده و سپس نوری را که هنگام بازگشت آنها ساطع میشود، اندازهگیری کند. این فرآیند، تصاویر لحظهای از حرکت الکترونها و حتی هستههای اتمی ایجاد مینماید؛ در مقیاسی زمانی که تکنیکهای معمولی قادر به ثبت آن نیستند.
طیفسنجی اپتیکال سنتی ابزار استانداردی برای مطالعه مایعها بوده است زیرا نور بهطور ملایمی با مولکولها تعامل میکند و خواندن آن آسان است، اما سرعتهای بسیار کمتری دارد. در مقابل، HHS به محدوده نور فراالکترابنفشی نفوذ میکند و وضوح زمانی به مقیاس آتوثانیه (یک میلیاردیم از یک میلیاردیم ثانیه) ارائه میدهد.
تا بهحال، HHS عمدتاً بهکارگیری در گازها و جامدات محدود بوده است، جایی که شرایط آزمایشی کنترلپذیرترند. مایعها دو چالش اساسی دارند: آنها بیشترین نور هارمونیک ساطعشده را جذب میکنند و حرکت مداوم مولکولی آنها سیگنالها را دشوار میسازد. با استفاده از یک «ورق» مایع فوقنازک جدید که امکان خروج نور بیشتر را فراهم میکند، تیم OSU–LSU برای نخستین بار نشان داده است که HHS میتواند تغییرات ساختاری موضعی و دینامیکهای فوقسریع را در مایعها ثبت کند.
یافتههای غیرمنتظره در مخلوطهای مایع
مسلح به این روش جدید، تیم به مجموعهای از مخلوطهای ساده مایع روی آورد تا عملکرد HHS را ارزیابی کند. آنها نور لیزری قوی در باند میانی مادونقرمز را بر متانول مخلوط با مقادیر کم از هالو بنزنهای مختلف — مولکولهای تقریباً یکسان که تنها با یک اتم متفاوتاند: فلوئور، کلر، برم یا ید — اعمال کردند. هالو بنزنها سیگنالهای هارمونیک قوی تولید میکنند که بهوضوح در طیف نور ساطعشده ظاهر میشوند، در حالی که متانول پسزمینهٔ پاکی ارائه میدهد. تیم انتظار داشت که حتی در مخلوطهای رقیق، سیگنال هالو بنزن غالب باشد.
برای اکثر مخلوطها، این درست بود: انتشار هارمونیک شبیه ترکیب ساده دو مایع بود. اما فلوروبنزن (PhF) رفتار بسیار متفاوتی نشان داد. «ما واقعاً از این که محلول PhF‑متانول نتایج کاملاً متفاوتی نسبت به سایر محلولها داد، شگفتزده شدیم»، گفت لو دیماورو، استاد فیزیک در OSU (Edward E. و Sylvia Hagenlocker Professor of Physics).
«نهتنها بازده مخلوط بسیار کمتر از هر یک از مایعات بهتنهایی بود، بلکه متوجه شدیم که یک هارمونیک کاملاً سرکوب شده است.» او افزود که «این سرکوب عمیق نشانه واضحی از دخالت تخریبی است و باید توسط چیزی نزدیک به منابع انتشار ایجاد شده باشد.»
به عبارت دیگر، ترکیب PhF با متانول نور کمتری نسبت به هر یک از مایعات بهتنهایی تولید کرد — نتیجهای غیرمنتظره — و یک هارمونیک خاص بهطور کامل ناپدید شد، گویی یک «نوت» منفرد در طیف ساکت شده باشد. چنین حذف هدفمند بسیار نادر است و نشانگر این بود که تعامل مولکولی خاصی مسیر الکترون را مسدود میکند.
بینشهای نظری درباره تعاملات مولکولی
برای بررسی این تعامل، تیم نظریه OSU شبیهسازیهای دینامیک مولکولی در مقیاس بزرگ انجام داد. جان هربرت، استاد شیمی و سرپرست این کار نظری، توضیح داد: «متوجه شدیم که مخلوط PhF‑متانول بهطور ظریف متفاوت از سایر مخلوطها است. الکترونافزایی اتم فلوئور یک «دستداد مولکولی» (یا پیوند هیدروژن) با انتهای O‑H متانول را تقویت میکند، در حالی که در سایر مخلوطها توزیع مولکولهای PhX بهصورت تصادفیتری است». بهعبارت دیگر، PhF ساختار حلشدگی منظمی تشکیل میدهد که دیگر هالو بنزنها نساختند.
سپس تیم نظری LSU آزمون کرد که آیا چنین ساختاری میتواند مشاهدات تجربی را بازتولید کند. متّه گارده، استاد فیزیک (Boyd Professor)، اشاره کرد: «ما حدس زدیم که چگالی الکترونی اطراف اتمهای فلوئور مانعی اضافی برای پراکندن الکترونهای شتابدار فراهم میکند و این میتواند فرآیند تولید هارمونیک را مختل کند». با استفاده از مدلی مبتنی بر معادله شرودینگر زمانوابسته، تیم تایید کرد که این نوع مانع پراکنی میتواند هم هارمونیک سرکوبشده و هم بازده کلی کمتر را ایجاد کند.
«ما همچنین دریافتیم که سرکوب بهطور بسیار حساسی به محل مانع وابسته است — این به این معناست که جزئیات سرکوب هارمونیک اطلاعاتی دربارهٔ ساختار موضعی که در طول فرایند حلشدن شکل گرفته، انتقال میدهد»، افزود سچاریتا گری، پژوهشگر پسادکترا در LSU.
«ما خوشحال بودیم که توانستیم نتایج آزمایش و نظریه را — در حوزههای فیزیک، شیمی و اپتیک — ترکیب کنیم تا درک جدیدی از دینامیک الکترونها در محیط مایع پیچیده به دست آوریم»، اضافه کرد گارده.
پیامدها و جهتگیریهای آینده
اگرچه برای کشف کامل توانمندیهای HHS در مایعها کارهای بیشتری لازم است، این یافتههای اولیه بسیار امیدبخشاند. زیرا بسیاری از فرآیندهای شیمیایی و بیولوژیکی مهم در فاز مایع رخ میدهند — و بهدلیل اینکه انرژیهای الکترونی درگیر، مشابه انرژیهای ایجاد کنندهٔ آسیبهای تابشی هستند — درک چگونگی پراکندن الکترونها در مایعات متراکم میتواند پیامدهای گستردهای در شیمی، زیستشناسی و علم مواد داشته باشد.
همانطور که دیماورو اشاره کرد، «نتایج ما نشان میدهد که تولید هارمونیکهای بالا در فاز محلول میتواند به تعاملات خاص حلشونده‑حلال حساس باشد و بهاین ترتیب به محیط موضعی مایع وابسته است. ما برای آیندهٔ این حوزه هیجانزدهایم».
با تکیه بر این چشمانداز، پژوهشگران پیشبینی میکنند که این تکنیک موجب تجدید علاقه به مطالعات فوقسریع در فاز مایع شود. همانطور که گارده اشاره کرد، پیشرفتها در هر دو زمینهٔ آزمایشات و شبیهسازیها به دانشمندان اجازه میدهد تا فهم بهتری از تولید هارمونیک در مایعات مختلف بهدست آورند و اطلاعات جزئی ساختاری و دینامیکی دربارهٔ واکنش آنها به پرتو لیزری فوقسریع استخراج کنند.
اطلاعات بیشتر: اریک مور و همکاران، ساختار موضعی ناشی از حلشدگی در مایعات بررسیشده با طیفسنجی هارمونیکهای بالا، Proceedings of the National Academy of Sciences (2025). DOI: 10.1073/pnas.2514825122
اطلاعات مجله: Proceedings of the National Academy of Sciences
ارائهشده توسط کالج علوم LSU
استناد: پالسهای لیزری فوقکوتاه یک تصویر لحظهای از «دستداد مولکولی» (2025، 14 دسامبر) دریافتشده در 25 دسامبر 2025 از https://phys.org/news/2025-12-ultrashort-laser-pulses-snapshot-molecular.html
این سند تحت حق تکثیر است. به جز هرگونه استفاده منصفانه برای مطالعهٔ خصوصی یا تحقیق، هیچ بخشی بدون اجازهٔ کتبی قابل تکثیر نیست. محتوا صرفاً برای مقاصد اطلاعرسانی ارائه شده است.