צוות מדענים בינלאומי חשף תגלית מפתיעה בתחום הפיזיקה המולקולרית, המגלה דינמיקות של שבירת סימטריה בלתי צפויות בדימרים של פחמן דו-חמצני לאחר יינון. המחקר, שפורסם ב-Nature Communications, מספק תובנות חדשות על השינויים המבניים שמתרחשים כאשר צברים מולקולריים אלו נחשפים לקרינה אולטרה סגולה קיצונית (EUV)
צוות מדענים בינלאומי, בראשות הפרופסורים דניאל שטרסר ורועי באר מהאוניברסיטה העברית בירושלים, גילה תגלית חשובה בתחום הפיזיקה המולקולרית, המגלה דינמיקות של שבירת סימטריה בלתי צפויות בדימרים של פחמן דו-חמצני לאחר יינון. דימרים של מולקולות CO₂ לאחר יינון היא למצב שבו זוג מולקולות של פחמן דו-חמצני (CO₂) מאוחדות ליצירת מבנה מולקולרי כפול הנקרא דימר, ועוברות תהליך יינון.
המחקר, שפורסם ב-Nature Communications, חושף תובנות חדשות על השינויים המבניים שמתרחשים כאשר צברים מולקולריים אלו נחשפים לקרינה אולטרה סגולה קיצונית (EUV). המאמץ המשותף הדגים כי דימרים של CO₂ מייננים עוברים ארגון מבני אסימטרי, המוביל להיווצרות יחידות CO₃. תגלית זו כוללת השלכות משמעותיות על הכימיה האטמוספירית והאסטרוכימיה, ומציעה הבנה עמוקה יותר של התנהגות מולקולרית בתנאים קיצוניים.
ממצאים מרכזיים: דינמיקות של שבירת סימטריה וארגון מבני
בסביבות כמו חלל החיצון הקר וסביבות אטמוספיריות, מולקולות של פחמן דו-חמצני נוטות ליצור זוגות סימטריים. לפי מכניקת הקוונטים, פונקציית הגל של זוגות אלו אמורה לשמר סימטריה גם לאחר היינון. עם זאת, חוקרים מהאוניברסיטה העברית בירושלים (ישראל), ממכון מקס פלאנק לפיזיקה גרעינית (גרמניה), וממתקן הלייזר האלקטרוני החופשי FLASH ב-DESY (גרמניה) צפו בתופעה הנקראת שבירת סימטריה.
שני מודלים מבוססים של כימיה קוונטית שימשו לחזות את התנהגות הדימרים המייננים. המודל הראשון הציע שהמולקולות ינועו באחדות, וישמרו על צורתן הסימטרית. לעומתו, המודל השני חזה שהיינון ישבור את הסימטריה, ויגרום לאחת המולקולות להסתובב לאט סביב צירה ולהצביע לעבר השותפה שלה תוך כ-150 פמטושניות. באמצעות פולסים מהירים של EUV שהופקו על ידי לייזר האלקטרונים החופשיים FLASH, החוקרים אישרו את המודל השני, שהראה כי הדימרים המייננים אכן עוברים ארגון מבני אסימטרי.
שבירת סימטריה זו מובילה להיווצרות יחידות CO₃, שעשויות לשחק תפקיד קריטי בהתפתחות הכימית של מינים מורכבים יותר בסביבות חלל חיצון קרות.
מכניקת הקוונטים ותופעת שבירת הסימטריה
שאלה מרכזית שעולה מהמחקר היא כיצד שבירת הסימטריה מתרחשת למרות שמכניקת הקוונטים אוסרת עליה. החוקרים מסבירים כי, בדומה לחתול של שרדינגר המפורסם, זוג מולקולות הפחמן הדו-חמצני קיים בסופרפוזיציה של שני מצבים של שבירת סימטריה. המערכת שומרת על סימטריה עד שפונקציית הגל הקוונטית קורסת בעת המדידה, מה שמוביל לכך שאחת ממולקולות ה-CO₂ מסתובבת יחסית לשנייה.
השלכות רחבות ומחקר עתידי
פרופ’ דניאל שטרסר, מחבר ראשי של המחקר, הדגיש את חשיבות הממצאים: “המחקר שלנו מדגים את הכוח של שילוב טכניקות ניסוי מתקדמות עם מודלים תיאורטיים מתקדמים לגילוי התנהגות מולקולרית בלתי צפויה. תובנות אלו על דינמיקות של דימרים מייננים של פחמן דו-חמצני עשויות לפתוח דרכים חדשות לכימיה של פחמן דו-חמצני ולתרום להבנה שלנו של תהליכים פלנטריים ואטמוספיריים.”
פרופ’ רועי באר, שהוביל את המודל התיאורטי, הוסיף: “על ידי השוואה ישירה בין תיאוריה למדידות ניסוייות, אנו משפרים את היכולת שלנו לדמות ולחזות את תוצאות התגובות הכימיות שמתרחשות בסביבות מרוחקות ואינן אפשריות לבדיקה ניסויית במעבדה.”
תוצאות המחקר כוללות השלכות משמעותיות על כימיה אטמוספירית, אסטרוכימיה, ומספקות תובנות חדשות על מעגל הפחמן הדו-חמצני האטמוספירי. גילוי הארגון המבני האסימטרי, היווצרות יחידת ה-CO₃, ודינמיקות מתוזמנות מספקים הבנה עמוקה יותר של תהליכים מולקולריים בתנאים קיצוניים.
המחקר התאפשר הודות לשיתוף פעולה בינלאומי ושימוש במתקנים מהמתקדמים ביותר, כולל לייזר האלקטרונים החופשיים FLASH2 ב-DESY בהמבורג, גרמניה. הגישה החדשנית של הצוות סוללת את הדרך לחקירות נוספות על התנהגות צברים מולקולריים בתנאים קיצוניים, עם יישומים פוטנציאליים מתחום המדע האטמוספירי ועד שיטות סינתזה כימיות חדשות.
קליפ: הסרט מציג סימולציה של דינמיקות דימר CO₂ שמופעלות על ידי יינון פוטו. שחרור האנרגיה הקינטית (KER) בהתפוצצות קולון של הדימר על ידי פולס מעוכב בזמן איפשר לבדוק את הדינמיקות בניסוי.
