Stanford Üniversitesi Enerji Bölümü’nün SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’nda son derece hızlı bir “elektron kamerası” ile, araştırmacılar ilk kez; ışıkla tetiklenen bir uyarılmadan sonra halka şeklinde birbirlerinden kopan moleküllerin yüksek çözünürlüklü “filmini” yaptılar. Sonuçların, -vücudumuzdaki D vitamini üretimi gibi- kimyadaki hayati reaksiyonlarla ortak noktaları göz önünde bulundurulduğunda, benzer konulardaki anlayışımızı daha da artırmasının olası olduğu açıklandı.
SLAC’da bulunan Linac Coherent Light Source (LCLS) X-ray lazer ile üretilen aynı reaksiyona ait daha önceki filmlerden sonra; bu kez ilk defa reaksiyon sırasındaki büyük yapısal değişimler kaydedildi. Laboratuvardaki ultra hızlı elektron kırınımı (UED) cihazından yararlanılarak yeni yüksek çözünürlüklü detaylar elde edildi ve bunlar moleküler bağların nasıl kırıldığını ve atomların uzatılmış bir zaman dilimi içinde nasıl sallandıklarını gösterdi.
SLAC Stanford Pulse Enstitüsü ve Stanford Üniversitesi’nde bir bilim insanı olan ve araştırma ekibini yöneten Thomas Wolf, “Buradaki bahsettiğimiz halkanın açılması reaksiyonunun detayları artık çözüldü” dedi. “Kimyasal reaksiyonlar sırasında bağ mesafelerindeki değişiklikleri doğrudan ölçebildiğimiz gerçeği; ışıkla uyarılan temel prosesler hakkında yeni sorular sormamızı sağlıyor.”
Yine SLAC’da çalışan ve daha önceki deneyle birlike bunda da göre alan Mike Minitti, “Bu sonuçlar, ultra hızlı prosesleri izlemek için kullandığımız eşsiz araçların birbirlerini nasıl da tamamladıklarını gösteriyor” diyor. “LCLS bize yalnızca birkaç femto saniyede, ya da saniyenin milyonda, milyarda birinde görüntüler yakalayabiliyor. UED ise bu görüntülerin uzaysal çözünürlüğünü artırıyor. Bunlar harika sonuçlar, çünkü tamamen yeni ekipmanlar kullanarak bir başkasının çalışmasını da doğrulamış oluyorsunuz.”
LCLS Direktörü Mike Dunne:
“Enerji erişimini ikiye katlayarak ve tekrarlama oranını değiştirerek LCLS’nin olağanüstü yeteneklerini geliştirmenin yanı sıra, şimdi SLAC’ın UED aygıtını geniş bilimsel topluluğun hizmetine sunuyoruz. Bu iki aygıtın birleşimi bize çok küçük ve çok hızlı temel konular hakkında en iyi araştırmayı yapmak için eşsiz bir pozisyon yaratıyor”.
Araştırma ekibinin sonuçları birkaç gün önce Nature Chemistry’de yayımlandı.
HD Kalitesinde Moleküler Film
Bu özel reaksiyon daha önce birçok kez çalışma konusu olmuştur. 1,3 – sikloheksadien (CHD) olarak adlandırılan halka şeklinde bir molekül ışığı emdiğinde, bir bağ kopar ve molekül 1,3,5 – heksatrien (HT) olarak bilinen, neredeyse çizgisel molekülü oluşturmak üzere açılır. İşlem halka-açma reaksiyonlarının tam anlamıyla bir örneğidir ve D vitamini sentezi sırasında ışıkla çalışan prosesleri incelemek için basitleştirilmiş bir model olarak da kullanılmaktadır.
2015 yılında LCLS’nin reaksiyonları üzerinde çalışan araştırmacılar, ilk detaylı moleküler filmle birlikte; bir molekülün lazer darbesiyle vurulduktan sonra halka şeklinden nasıl “puro benzeri” bir şekline dönüştüğünü ortaya çıkardılar.
UED’nin kullanıldığı bu yeni çalışmada, araştırmacılar örnek üzerine MeV seviyelerinde yüksek enerjili elektron demeti göndererek, atomlar arasındaki mesafeleri hassasiyetle ölçen bir teknik kullandılar. Bu mesafelerin anlık görüntülerini ilk lazer darbesinden sonra farklı aralıklarla çekmek ve nasıl değiştiklerini izlemek, bilim insanlarının, örnekteki ışıkla uyarılan yapısal değişikliklerin durağan bir filmini oluşturmalarını sağladı.
MeV UED aygıtının müdürü SLAC bilim insanı Xijie Wang; “Ayrıca bu elektron demeti, çalışmada kullanılan CHD gibi çok seyreltik bir gaz için oldukça yüksek sinyaller üretti” dedi. “Bu halka-açma reaksiyonunu öncekinden çok daha uzun bir süre boyunca izlememizi sağladı”.
Şaşırtıcı Detaylar
Elde edilen yeni veriler halka-açma reaksiyonuyla ilgili bir dizi şaşırtıcı ayrıntıyı ortaya çıkardı.
Filmin ilk detaylarında, CHD halkasının kırılmasıyla birlikte atomların hızlandığı, ardından moleküllerin kendilerini fazla enerjiden kurtararak hızlıca HT formuna geçiş yapmak için gerildikleri görüldü.
Film ayrıca, HT molekülünün -halkadan çizgi şekline doğru açılırken- iki ucunun açılırken nasıl hafifçe sallandıklarını yakaladı. Bu sallantı hareketleri en azından 1 piko saniye kadar devam etti, yani saniyenin trilyonda biri kadar bir süre.
Wolf, “Bu hareketlerin bu kadar uzun süreceğini asla düşünmezdim” dedi. “Bu, reaksiyonun halka-açılmasıyla bitmediğini, ışığın neden olduğu uyarılmalara bağlı olarak önceden düşündüklerinden çok daha uzun bir prosesin olabileceğini gösteriyor.”
Umut Vaad Eden Bir Yöntem
Bilim insanları bu deneysel sonuçları ayrıca, kimyasal proseslerde atom çekirdeğinin hareketliyle ilgili yeni geliştirilen bilgisayarlı bir yaklaşımın doğrulanması için de kullandı.
Stanford Üniversitesi’nden kimya profesörü ve PULSE araştırmacısı Todd Martinez “UED’nin bize geliştirdiğimiz yöntemi test edebilememiz için yüksek çözünürlüklü veriler sağladı” dedi. “Bu makale yöntemimizin en doğrudan testidir ve sonuçlarımız deneysel sonuçlarla mükemmel bir uyum içindedir”.
Wolf, bilgisayar simülasyonlarının öngörücü gücünü ilerletmenin yanı sıra, yaşamdaki temel kimyasal reaksiyonlar hakkındaki anlayışımızı derinleştirmemize yardımcı olacağını da belirtti. “Metodumuzun, yaşam döngüsünde kullanılan ve daha da karmaşık olan moleküllerin daha fazla araştırılmasına imkan yaratacağını umut ediyoruz.”
