Μπορούμε τώρα να δούμε στιγμιότυπα από τα τροχιακά των ηλεκτρονίων

Πηγή: Nature, Ιανουάριος 2005

Μια νέα τεχνική θα μπορούσε να μας δώσει τη δυνατότητα να παρακολουθήσουμε τις κινήσεις των ηλεκτρονίων κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων.

Το εξωτερικό ηλεκτρόνιο σ' ένα μόριο αζώτου, βρίσκεται γύρω από το καθένα από τα δύο άτομα του μορίου(κόκκινη και καφέ περιοχή) και συνεισφέρει επίσης στη συγκόλληση μεταξύ των ατόμων (μπλε περιοχή)

Η Χημεία ασχολείται με το πως συμπεριφέρονται τα ηλεκτρόνια. Κάθε χημική αντίδραση περιλαμβάνει μετακινήσεις κβαντικών ηλεκτρονιακών νεφών με θολά περιγράμματα, από ένα μέρος σε άλλο. Μια καινούργια τεχνική, έρχεται τώρα να μας δώσει φωτογραφίες αυτών των νεφών και να φέρει μεγάλη καινοτομία στην κατανόηση των μορίων που μας περιβάλλουν. 

"Η εξέλιξη αυτή οριοθετεί μια νέα εποχή στην κατανόηση της χημείας" λέει ο Jonathan Underwood, φυσικός στο Ανοιχτό Πανεπιστήμιο Milton Keynes, της Βρετανίας. "Η τεχνική αυτή φέρνει μια μεγάλη καινοτομία, διότι για πρώτη φορά επιτρέπει στους φυσικούς να καταγράψουν μια 3-διάστατη εικόνα των τροχιακών των ηλεκτρονίων στα μόρια."

Τα μόρια σχηματίζονται με συνένωση ατόμων, και συγκρατούνται από τα ηλεκτρόνια εκείνα που απλώνονται σε τροχιακά. Ως τροχιακά εννοούμε την περιοχή εκείνη μέσα στην οποία κάθε ηλεκτρόνιο έχει τη μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί. Όταν αυτά τα μόρια αντιδρούν χημικά, τα ηλεκτρόνια μετατοπίζονται σε θέσεις μεταξύ των διαφορετικών ατόμων και μεταβάλλεται το σχήμα των μοριακών τροχιακών. Αυτός ο μετασχηματισμός των τροχιακών είναι η καρδιά της Χημείας. 

"Η δυνατότητά μας να μπορέσουμε να παρατηρήσουμε ένα μοριακό τροχιακό, πραγματικά εξέπληξε αρκετούς επιστήμονες," λέει ο David Villeneuve, ένας φυσικός από το  Ινστιτούτο Steacie της Ottawa που ανήκει στο Εθνικό Συμβούλιο Έρευνας του Καναδά. Ο Villeneuve ήταν μέλος της Καναδο-Ιαπωνικής συνεργασίας που επινόησε τη μέθοδο. "Μια προσέγγιση της κβαντομηχανικής θα μας έλεγε ότι δεν είναι δυνατή η απευθείας παρατήρηση ενός τροχιακού, όμως αυτό ακριβώς μπορέσαμε και πετύχαμε," λέει ο ίδιος.

Μια κάμερα για τη Χημεία

Η απεικονιστική τεχνική χρησιμοποιεί εξαιρετικά βραχείς παλμούς λέιζερ, οι οποίοι ιονίζουν για πολύ σύντομο χρονικό διάστημα ένα μόριο αζώτου (εκδιώκουν ένα ηλεκτρόνιο από αυτό). Το μόριο αζώτου αποτελείται από δύο πανομοιότυπα άτομα που συγκρατούνται μαζί. Όταν το μόριο επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, εκπέμπεται φως από τα ηλεκτρόνιά του, το οποίο συμβάλλει με τον παλμό του λέιζερ κατά διάφορους τρόπους. Οι τρόποι αυτοί εξαρτώνται από τη θέση του ηλεκτρονίου και τη θέση που χτύπησε ο παλμός λέιζερ το μόριο. 

Μετρώντας αυτή τη συμβολή για χιλιάδες επαναλαμβανόμενους ιονισμούς, μπόρεσαν οι επιστήμονες να ανασυνθέσουν το σχήμα του τροχιακού για το εξωτερικό ηλεκτρόνιο του μορίου αζώτου. Παράχθηκε μια εικόνα με θολό περίγραμμα, σαν ένα σμήνος από μύγες που φωτογραφήθηκε έχοντας ανοιχτό το διάφραγμα της φωτογραφικής μηχανής για αρκετό χρόνο. 

Το ηλεκτρόνιο μετακινήθηκε από τη θέση του καθώς αλληλεπίδρασε με το ταλαντούμενο ηλεκτρικό πεδίο του παλμού λέιζερ. Η περίοδος ταλάντωσης του ηλεκτρικού πεδίου ήταν της τάξης των δύο femtoseconds (2x10^-15 seconds), χρόνος που είναι αρκετός για να συλλάβει ηλεκτρόνια τα οποία μετακινούνται κατά τη διάρκεια χημικών αντιδράσεων επίσης. "Η τεχνική αυτή θα μπορούσε να μας κάνει ικανούς να δούμε πως επανατοποθετούνται τα ηλεκτρόνια καθώς τα άτομα πλησιάζουν για να αλληλεπιδράσουν," λέει ο Villeneuve.

Απεικονίζοντας δεσμούς

Αν και οι επιστήμονες μέχρι τώρα, έχουν ρίξει μια ματιά μόνο σε μόρια αζώτου, ο Underwood μόλις ξεκίνησε να δουλεύει με την ομάδα του, πάνω σε ένα πρόγραμμα απεικόνισης ηλεκτρονίων σε πιο πολύπλοκα μόρια. Τα πρώτα αποτελέσματα μας δείχνουν ότι κάτι τέτοιο είναι εφικτό, λέει ο ίδιος. 

Η τεχνική αυτή θα μπορούσε προοδευτικά να βοηθήσει τους χημικούς να βελτιώσουν τις υπάρχουσες χημικές αντιδράσεις, να σχεδιάσουν νέους καταλύτες, ή ακόμα και να κατανοήσουν πως εξελίσσονται οι βιολογικές διαδικασίες. Η αναδίπλωση των πρωτεϊνών για παράδειγμα στηρίζεται σε λεπτές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ατόμων και ηλεκτρονίων, τις οποίες πολλοί επιστήμονες προσπαθούν να εξομοιώσουν με υπολογιστές. Ο τρόπος αναδίπλωσης μιας πρωτεΐνης καθορίζει συχνά πως δρα αυτή εντός του οργανισμού μας. Στην περίπτωση της ασθένειας  Creutzfeldt-Jakob, πρωτεΐνες που δεν έχουν τη σωστή αναδίπλωση μπορεί να αποβούν θανατηφόρες. Η χημική κάμερα θα μπορούσε να βοηθήσει να να έχουμε πιο λεπτομερή μοντέλα που θα μας κάνουν να κατανοήσουμε γιατί οι πρωτεΐνες συμπεριφέρονται με τον συγκεκριμένο τρόπο, υποδεικνύει ο Villeneuve.

"Στο κοντινό μέλλον, θα είναι δυνατόν να παρακολουθήσουμε απευθείας πως αλλάζουν οι δεσμοί των μορίων κατά τη διάρκεια των χημικών αντιδράσεων," λέει οHenrik Stapelfeldt, ένας φυσικός από το πανεπιστήμιο Langelandsgade, του Aarhus, της Δανίας, "αλλά ακόμα και αυτό που επιτεύχθηκε ως τώρα είναι μεγάλη επιτυχία."

Αναφορά: Itatani, J. et al. Nature 432, 867 - 871 (2004).