Οι πρώτες εικόνες ατόμων που κινούνται μέσα σε μόριο

Χρησιμοποιώντας μια νέα τεχνική απεικόνισης που λειτουργεί σε εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες, Αμερικανοί ερευνητές απαθανάτισαν για πρώτη φορά την κίνηση των ατόμων μέσα σε απλά μόρια οξυγόνου και αζώτου. Στο μέλλον ελπίζουν μάλιστα να αξιοποιήσουν την τεχνολογία για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ατόμων μέσα σε μόρια φαρμάκων.

Το πείραμα, που παρουσιάζεται την Πέμπτη στο περιοδικό Nature, βασίστηκε σε ένα λέιζερ που εκπέμπει παλμούς φωτός εξαιρετικά μικρής διάρκειας, ακριβώς 50 femtosecond (τετράκις εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου).

Ο παλμός αυτός προκάλεσε την απόσπαση ενός μεμονωμένου ηλεκτρονίου από την εξωτερική στοιβάδα του μορίου, το οποίο αμέσως μετά επανήλθε στη θέση του. Στο χρονικό διάστημα που χρειάστηκε για να επανέλθει, όμως, οι πυρήνες των ατόμων του μορίου πρόλαβαν να κινηθούν, έστω και ελάχιστα.

«Φλας» ηλεκτρονίου απαθανατίζει τον χορό των ατόμων

Κατά κάποιο τρόπο, οι ερευνητές του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Οχάιο χρησιμοποίησαν το ηλεκτρόνιο ως «φλας» για να καταγράψουν τη μετατόπιση των ατόμων.

Ουσιαστικά, αξιοποίησαν τη διττή φύση του ηλεκτρονίου, το οποίο συμπεριφέρεται ταυτόχρονα τόσο ως σωματίδιο όσο και ως κύμα -ακριβώς όπως το φως. Όταν το εκδιωχθέν ηλεκτρόνιο «έπεσε» πίσω στην αρχική του θέση, το κύμα του σκεδάστηκε καθώς πέρασε μέσα από τα άτομα, περίπου όπως ένα κύμα που διαδίδεται στην επιφάνεια μιας λίμνης σκεδάζεται από τα αντικείμενα που μπορεί να συναντήσει στην πορεία του.

Η καταγραφή του κύματος και των μοτίβων σκέδασης που σχημάτισε επέτρεψε στους ερευνητές να αναπαράγουν το μέγεθος και το σχήμα των μορίων, δηλαδή τις θέσεις των ατομικών πυρήνων στο μόριο.

«Στη διάρκεια αυτών των πειραμάτων, συνειδητοποιήσαμε ότι, ρυθμίζοντας το λέιζερ, μπορούμε να ελέγξουμε την κβαντική τροχιά του ηλεκτρονίου όταν επιστρέφει στο μόριο» αναφέρει ο καθηγητής Φυσικής Λούι ΝτιΜάουρο, επικεφαλής της μελέτης.

«Το επόμενο βήμα», προσθέτει, «είναι να προσπαθήσουμε να καθοδηγήσουμε το ηλεκτρόνιο με τέτοιο τρόπο ώστε να μπορέσουμε να ελέγξουμε μια χημική αντίδραση».

Τα πειράματα έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι στιγμής με δύο πολύ απλά μόρια, μόρια οξυγόνου (O₂) και μόρια αζώτου (Ν₂). Οι ερευνητές, όμως, ελπίζουν ότι στο μέλλον θα μπορέσουν να παρακολουθήσουν τους ατομικούς πυρήνες σε μεγάλα μόρια, όπως τα βιολογικά μόρια και τα φάρμακα.

Όπως παραδέχεται ο ΝτιΜάουρο, «το να κοιτάζει κανείς δύο άτομα απέχει πολύ από τα να μελετά ένα πιο ενδιαφέροντα μόρια όπως οι πρωτεΐνες».