לראות את “נשימותיה” של מולקולה כימית

לראשונה אי-פעם, כימאים פינים הצליחו למדוד את תנועת הרטט של מולקולה יחידה בכושר-הפרדת זמנים של פמטושניות.

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]
לראשונה אי-פעם, כימאים פינים הצליחו למדוד את תנועת הרטט של מולקולה יחידה בכושר-הפרדת זמנים של פמטושניות.

המחקר, שנערך באוניברסיטת קליפורניה, אירווין, וממצאיו פורסמו בכתב-העת המדעי Nature Photonics, חושף כיצד הרטט של מולקולה יחידה שונה מההתנהגות של אוספים מולקולאריים גדולים יותר.

המדענים השתמשו בפעימות לייזר בעלות מרווחי זמן קצרים במיוחד של פמטושניות בספקטרום של האור הנראה על מנת למדוד את התנועה של מולקולות פרטניות. היכולת לצפות ברטט של מולקולה אורגנית יחידה [במקרה הזה, ביפירידילאתילן, BPE] כפונקציה של הזמן התאפשרה בעזרת פיזור של פעימות אור. שיטה זו ידועה בשם ‘פיזור ראמאן אנטי-סטוקס עקבי מופרד-זמנים’ (time-resolved coherent anti-Stokes Raman scattering, tr-CARS). במסגרת המחקר, המדענים פיתחו גם שיטה חדשה לגילוי מולקולות יחידות בעזרת אמצעים אופטיים.

הצפייה ברטט של מולקולתBPE יחידה התאפשרה בעזרת שיטה המכונה ‘ננו-אנטנות פלזמוניות’ (plasmonic nanoantennas) המורכבות משני ננו-חלקיקים של זהב המרוחקים כ-90 ננומטרים זה מזה. ננו-האנטנה מגבירה את הקרינה הנפלטת ממולקולה יחידה לרמה הניתנת למדידה. “היכולת למדוד מולקולה יחידה בעזרת פיזור אור היא משימה מאתגרת במיוחד,” אומר אחד מהמדענים השותפים למחקר, “ולכן היינו צריכים להגביר את האות”.

הגברה של אותות מולקולאריים בעזרת ננו-חלקיקים רווחת בשיטות ספקטרוסקופיות מגוונות, למשל במסגרת השיטה של ‘פיזור ראמאן מוגבר-משטח’ (surface-enhanced Raman scattering, SERS), בה משתמשים לגילוי שגרתי של מולקולות יחידות. הרטט של מולקולה יחידה נשלט באופן מוחלט ע”י החוקים של מכניקת הקוונטים. על מנת לקבל תוצאה מדידה במסגרת שיטה זו, המולקולה צריכה להיות בשני מצבים קוונטיים בו-זמנית. במכניקה קוונטית תופעה זו ידועה בשם ‘רִכּוּב קוֹהֵרֶנְטִי שֶׁל מצבי רטט’ (coherent superposition of vibrational states) – צרור גלים (wave packet). באוספים מולקולאריים, המצבים בתוך צרור גלים, בדרך-כלל, מאבדים את מתאם המופע שלהם תוך פרק זמן קצר במיוחד, תופעה המכונה – יציאה ממופע (dephasing).

בעזרת השימוש בפעימות לייזר, המדענים הצליחו ליצור צרור גלים של רטטים במולקולה יחידה ולצפות בהם במשך 10 פיקושניות. התנועה תלוית-הזמנים של צרור הגלים מתאימה לרטטים המעשיים של המולקולה, דהיינו, ל”נשימה” המולקולארית שלה. הבדיקות הוכיחו כי הרטטים של מולקולה יחידה לא איבדו את מתאם המופע שלה. בעזרת הדמיות מחשב, המדענים הצליחו להסביר את התצפיות ולהראות כי יציאה ממופע היא מאפיין של אוספים מולקולאריים ולא של מולקולה יחידה, כאשר תכונה זו היא בסיסית ביותר במקרה זה ולא הייתה ידועה למדע עד כה.

“היכולת שלנו לצפות ברטט של מולקולה יחידה מקדמת אותנו שלב אחד קרוב יותר למצב בו נוכל לראות כימיה אמיתית בפעולה ברמה של מולקולות פרטניות,” מציין החוקר הראשי. היכולת ליצור, לשנות ולמדוד את המצבים הקוונטים של מולקולה יחידה פותחת צוהר לאפשרויות חדשות בתחום של מחשוב קוונטי המבוסס על ההעברה של מולקולות ומידע קוונטי. באופן מעשי, הצפייה במולקולות יחידות משמעותה כי אנו צופים בפוטונים פרטניים. כתוצאה מכך, ממצאי המחקר סוללים את הדרך לאפיקי מחקר וליישומים חדשים בתחום של רכיבי פוטוניקה המבוססים על מולקולה יחידה, למשל – הייצור של פוטונים יחידים במצב רצוי לנו.

הידיעה על המאמר
תקציר המאמר