Stanford Universitesi Enerji Bolumu ’nun SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ’nda son derece hızlı bir “elektron kamerası” ile, araştırmacılar ilk kez; ışıkla tetiklenen bir uyarılmadan sonra halka şeklinde birbirlerinden kopan molekullerin yuksek cozunurluklu “filmini” yaptılar. Sonucların, -vucudumuzdaki D vitamini uretimi gibi- kimyadaki hayati reaksiyonlarla ortak noktaları goz onunde bulundurulduğunda, benzer konulardaki anlayışımızı daha da artırmasının olası olduğu acıklandı.
SLAC ’da bulunan Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray lazer ile uretilen aynı reaksiyona ait daha onceki filmlerden sonra; bu kez ilk defa reaksiyon sırasındaki buyuk yapısal değişimler kaydedildi. Laboratuvardaki ultra hızlı elektron kırınımı (UED) cihazından yararlanılarak yeni yuksek cozunurluklu detaylar elde edildi ve bunlar molekuler bağların nasıl kırıldığını ve atomların uzatılmış bir zaman dilimi icinde nasıl sallandıklarını gosterdi.
SLAC Stanford Pulse Enstitusu ve Stanford Universitesi ’nde bir bilim insanı olan ve araştırma ekibini yoneten Thomas Wolf, “Buradaki bahsettiğimiz halkanın acılması reaksiyonunun detayları artık cozuldu” dedi. “Kimyasal reaksiyonlar sırasında bağ mesafelerindeki değişiklikleri doğrudan olcebildiğimiz gerceği; ışıkla uyarılan temel prosesler hakkında yeni sorular sormamızı sağlıyor.”
Yine SLAC ’da calışan ve daha onceki deneyle birlike bunda da gore alan Mike Minitti, “Bu sonuclar, ultra hızlı prosesleri izlemek icin kullandığımız eşsiz aracların birbirlerini nasıl da tamamladıklarını gosteriyor” diyor. “LCLS bize yalnızca birkac femto saniyede, ya da saniyenin milyonda, milyarda birinde goruntuler yakalayabiliyor. UED ise bu goruntulerin uzaysal cozunurluğunu artırıyor. Bunlar harika sonuclar, cunku tamamen yeni ekipmanlar kullanarak bir başkasının calışmasını da doğrulamış oluyorsunuz.”
LCLS Direktoru Mike Dunne:
“Enerji erişimini ikiye katlayarak ve tekrarlama oranını değiştirerek LCLS ’nin olağanustu yeteneklerini geliştirmenin yanı sıra, şimdi SLAC ’ın UED aygıtını geniş bilimsel topluluğun hizmetine sunuyoruz. Bu iki aygıtın birleşimi bize cok kucuk ve cok hızlı temel konular hakkında en iyi araştırmayı yapmak icin eşsiz bir pozisyon yaratıyor”.
Araştırma ekibinin sonucları birkac gun once Nature Chemistry ’de yayımlandı.
HD Kalitesinde Molekuler Film
Bu ozel reaksiyon daha once bircok kez calışma konusu olmuştur. 1,3 – sikloheksadien (CHD) olarak adlandırılan halka şeklinde bir molekul ışığı emdiğinde, bir bağ kopar ve molekul 1,3,5 – heksatrien (HT) olarak bilinen, neredeyse cizgisel molekulu oluşturmak uzere acılır. İşlem halka-acma reaksiyonlarının tam anlamıyla bir orneğidir ve D vitamini sentezi sırasında ışıkla calışan prosesleri incelemek icin basitleştirilmiş bir model olarak da kullanılmaktadır.
2015 yılında LCLS ’nin reaksiyonları uzerinde calışan araştırmacılar, ilk detaylı molekuler filmle birlikte; bir molekulun lazer darbesiyle vurulduktan sonra halka şeklinden nasıl “puro benzeri” bir şekline donuştuğunu ortaya cıkardılar.
UED ’nin kullanıldığı bu yeni calışmada, araştırmacılar ornek uzerine MeV seviyelerinde yuksek enerjili elektron demeti gondererek, atomlar arasındaki mesafeleri hassasiyetle olcen bir teknik kullandılar. Bu mesafelerin anlık goruntulerini ilk lazer darbesinden sonra farklı aralıklarla cekmek ve nasıl değiştiklerini izlemek, bilim insanlarının, ornekteki ışıkla uyarılan yapısal değişikliklerin durağan bir filmini oluşturmalarını sağladı.
MeV UED aygıtının muduru SLAC bilim insanı Xijie Wang; “Ayrıca bu elektron demeti, calışmada kullanılan CHD gibi cok seyreltik bir gaz icin oldukca yuksek sinyaller uretti” dedi. “Bu halka-acma reaksiyonunu oncekinden cok daha uzun bir sure boyunca izlememizi sağladı”.
Şaşırtıcı Detaylar
Elde edilen yeni veriler halka-acma reaksiyonuyla ilgili bir dizi şaşırtıcı ayrıntıyı ortaya cıkardı.
Filmin ilk detaylarında, CHD halkasının kırılmasıyla birlikte atomların hızlandığı, ardından molekullerin kendilerini fazla enerjiden kurtararak hızlıca HT formuna geciş yapmak icin gerildikleri goruldu.
Film ayrıca, HT molekulunun -halkadan cizgi şekline doğru acılırken- iki ucunun acılırken nasıl hafifce sallandıklarını yakaladı. Bu sallantı hareketleri en azından 1 piko saniye kadar devam etti, yani saniyenin trilyonda biri kadar bir sure.
Wolf, “Bu hareketlerin bu kadar uzun sureceğini asla duşunmezdim” dedi. “Bu, reaksiyonun halka-acılmasıyla bitmediğini, ışığın neden olduğu uyarılmalara bağlı olarak onceden duşunduklerinden cok daha uzun bir prosesin olabileceğini gosteriyor.”
Umut Vaad Eden Bir Yontem
Bilim insanları bu deneysel sonucları ayrıca, kimyasal proseslerde atom cekirdeğinin hareketliyle ilgili yeni geliştirilen bilgisayarlı bir yaklaşımın doğrulanması icin de kullandı.
Stanford Universitesi ’nden kimya profesoru ve PULSE araştırmacısı Todd Martinez “UED ’nin bize geliştirdiğimiz yontemi test edebilememiz icin yuksek cozunurluklu veriler sağladı” dedi. “Bu makale yontemimizin en doğrudan testidir ve sonuclarımız deneysel sonuclarla mukemmel bir uyum icindedir”.
Wolf, bilgisayar simulasyonlarının ongorucu gucunu ilerletmenin yanı sıra, yaşamdaki temel kimyasal reaksiyonlar hakkındaki anlayışımızı derinleştirmemize yardımcı olacağını da belirtti. “Metodumuzun, yaşam dongusunde kullanılan ve daha da karmaşık olan molekullerin daha fazla araştırılmasına imkan yaratacağını umut ediyoruz.”