Για πρώτη φορά στην ιστορία, οι επιστήμονες κατάφεραν να αποτυπώσουν την κίνηση ενός και μόνο ηλεκτρονίου τη στιγμή που συμμετέχει σε χημική αντίδραση. Το εντυπωσιακό αυτό επίτευγμα πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια εξαιρετικά ταχέων ακτίνων-Χ και δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο επιστημονιικό περιοδικό Physical Review Letters.
Η επανάσταση της απεικόνισης
Μέχρι σήμερα, οι τεχνικές σκέδασης με ακτίνες-Χ επέτρεπαν στους επιστήμονες να «παγώνουν» την κίνηση ατόμων και μορίων, καταγράφοντας σε κλάσματα του δευτερολέπτου πώς αυτά αλληλεπιδρούν. Ωστόσο, οι ακτίνες-Χ αλληλεπιδρούν κυρίως με τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται κοντά στον πυρήνα, αφήνοντας στο σκοτάδι τα λεγόμενα ηλεκτρόνια σθένους, δηλαδή τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο εξωτερικό περίβλημα και είναι υπεύθυνα για τις χημικές αντιδράσεις.
«Θέλαμε να δούμε τα ίδια τα ηλεκτρόνια που προκαλούν την κίνηση», εξηγεί ο Ian Gabalski, διδακτορικός φοιτητής φυσικής και επικεφαλής της μελέτης. Όπως επισημαίνει, η κατανόηση της συμπεριφοράς αυτών των ηλεκτρονίων μπορεί να ανοίξει τον δρόμο για πιο αποτελεσματικά φάρμακα, καθαρότερες χημικές διεργασίες και υλικά νέας γενιάς.
Το μόριο-κλειδί
Για το πείραμα, οι ερευνητές έπρεπε να επιλέξουν το κατάλληλο μόριο. Η επιλογή τους ήταν η αμμωνία. Ο λόγος; Τα άτομα της αμμωνίας είναι ελαφρά, με αποτέλεσμα να έχουν σχετικά λίγα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα. Έτσι, το «σήμα» από τα εξωτερικά ηλεκτρόνια δεν «πνίγεται» και η παρατήρησή τους γίνεται πιο εφικτή.
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στο Linac Coherent Light Source του SLAC National Accelerator Laboratory, μια εγκατάσταση ικανή να παράγει εξαιρετικά ισχυρές και μικρής διάρκειας παλμούς ακτίνων-Χ. Αρχικά, η ομάδα έδωσε ένα μικρό «σπρώξιμο» στο μόριο αμμωνίας με υπεριώδη ακτινοβολία, αναγκάζοντας ένα ηλεκτρόνιο να ανέβει σε υψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Αυτή η διέγερση ήταν αρκετή για να ξεκινήσει η διαδικασία αποσύνθεσης του μορίου. Στη συνέχεια, με τις ακτίνες-Χ κατέγραψαν την αλλαγή στο «σύννεφο» του ηλεκτρονίου καθώς το μόριο άρχισε να διαλύεται.
Από τις θεωρίες στην εικόνα
Στην κβαντική φυσική, τα ηλεκτρόνια δεν θεωρούνται μικρές σφαίρες που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα, αλλά πιθανότητες παρουσίας μέσα σε σύννεφα που ονομάζονται τροχιακά. Κάθε τροχιακό έχει συγκεκριμένο σχήμα και πυκνότητα, ανάλογα με την ενέργεια και τη θέση του ηλεκτρονίου.
Για να απεικονίσουν αυτό το «ηλεκτρονικό σύννεφο», οι επιστήμονες συνδύασαν τις μετρήσεις τους με κβαντομηχανικές προσομοιώσεις που υπολόγισαν την ηλεκτρονική δομή του μορίου. Οι ακτίνες-Χ, όταν περνούν από το σύννεφο, σκεδάζονται σε διάφορες κατευθύνσεις. Οι παρεμβολές που δημιουργούνται καταγράφονται και αποκαλύπτουν μια λεπτομερή εικόνα του πώς το ηλεκτρόνιο κινείται.
Η ομάδα συνέκρινε τα αποτελέσματά της με δύο θεωρητικά μοντέλα: το ένα περιλάμβανε την κίνηση των ηλεκτρονίων σθένους, το άλλο όχι. Τα δεδομένα ταυτίστηκαν με το πρώτο, αποδεικνύοντας ότι είχαν όντως καταγράψει τη δυναμική αναδιάταξη του ηλεκτρονίου.
Ένα βήμα πιο κοντά στις εφαρμογές
Η τεχνική αυτή δεν έχει μόνο θεωρητικό ενδιαφέρον. Η κατανόηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων σε πραγματικό χρόνο ανοίγει νέες προοπτικές σε πεδία όπως η ιατρική, η χημεία και η ανάπτυξη υλικών. Ο Gabalski και η ομάδα του φιλοδοξούν να επεκτείνουν τη μέθοδο σε πιο σύνθετα, τρισδιάστατα περιβάλλοντα, ώστε να προσομοιάζουν καλύτερα πραγματικούς ιστούς. Ένα τέτοιο βήμα θα μπορούσε να οδηγήσει σε εφαρμογές αναγεννητικής ιατρικής, όπως η ανάπτυξη ή η επιδιόρθωση ιστών κατά παραγγελία.
Η σημασία της ανακάλυψης
Η παρατήρηση της κίνησης ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου σε χημική αντίδραση αποτελεί ορόσημο για την επιστήμη. Για δεκαετίες, η εικόνα των ηλεκτρονίων βασιζόταν σε υπολογιστικά μοντέλα και θεωρητικές εξισώσεις. Σήμερα, χάρη στη συνδυασμένη ισχύ της τεχνολογίας των ακτίνων-Χ και των κβαντικών προσομοιώσεων, οι επιστήμονες μπορούν να δουν στην πράξη αυτό που μέχρι πρότινος ήταν αόρατο.
Η νέα μέθοδος δεν αποτελεί μόνο απόδειξη της ανθρώπινης ικανότητας να ξεπερνά τα όρια της παρατήρησης, αλλά και ένα εργαλείο με τεράστιες προοπτικές. Από τη βελτίωση των φαρμάκων έως την ανάπτυξη νέων υλικών, η κατανόηση της «χορογραφίας» των ηλεκτρονίων μπορεί να επαναπροσδιορίσει την ίδια την έννοια της χημικής και βιολογικής καινοτομίας.
[via]
