تا حالا فکر کردی واقعاً تو یه واکنش شیمیایی داخل یه مولکول چه خبره و الکترونا چطوری جابه‌جا میشن؟ خب خبر داغ اینه که دانشمندا واسه اولین بار تونستن حرکت یه الکترون رو همون موقع که داشت تو یه واکنش شیمیایی جا به جا می‌شد، دقیقاً ببینن و تصویربرداری کنن. آره، باور کن! حالا بیام کلی توضیحات جذاب برات بگم که دقیقاً چی شده.
واسه سال‌ها دانشمندا از پرتوهای خیلی سریع اشعه ایکس استفاده می‌کردن تا بتونن لحظه‌ای حرکات خیلی سریع اتم‌ها رو تو واکنش‌های شیمیایی عکاسی کنن. حالا اشعه ایکس چیه؟ عملاً همون موج‌های خیلی پرانرژی هستن که حتی می‌تونه از مواد عبور کنه و واسه عکس گرفتن از اسکلت ما تو بیمارستان هم استفاده میشه. چون طول موجش خیلی کوتاهه، واسه مشاهده جزئیات اتمی ایده‌آله.
تا اینجا مشکل این بود که اشعه ایکس معمولاً فقط با الکترونای مرکزی اتم که نزدیک هسته‌ان، تعامل قوی دارن. ولی الکترونای والانس چی؟! (الکترون والانس یعنی همون الکترون‌های لایه بیرونی اتم که باعث واکنش‌های شیمیایی میشن – اصل ماجرا دست ایناست!) اینا قبلاً واسه ما پنهون بودن و نمی‌شد ببینیمشون.
اما اینجا یه تیم باهوش اومد و گفت: “بیاید واقعاً ببینیم کی این الکترونا دارن حرکت می‌کنن!” یه دانشجوی دکتری فیزیک به اسم “ایان گابالسکی” هم سرپرست این پروژه بوده.
اگه دانشمندا بفهمن دقیقاً این الکترونای والانس موقع واکنش شیمیایی چطور حرکت می‌کنن، قشنگ میشن طراحی‌کننده داروهای بهتر، فرآیندهای شیمیایی تمیزتر، و مواد جدید و کارآمدتر. کلاً دنیای علم شیمی رو می‌تونن متحول کنن.
برای این کار، انتخاب مولکول مناسب خیلی مهم بود. انتخاب اینا هم شد آمونیاک! چرا؟ چون آمونیاک بیشتر از اتمای سبک ساخته شده و مقدار الکترون مرکزی‌ش کم‌تره، این یعنی شانس بیشتری واسه دیدن الکترونای والانس داشتیم. خلاصه آمونیاک شد سوژه‌ی اصلی!
حالا ببین تو آزمایش دقیقاً چی شد: دانشمندا آمونیاک رو اول با یک پالس خیلی ریز از نور فرابنفش شارژ کردن (نور فرابنفش یعنی همون UV، موجی که مثلا باعث آفتاب‌سوختگی میشه)، تا یکی از الکترونا به تراز بالاتر بپره. وقتی الکترونا از سطح انرژی پایین به بالا میرن، اغلب واکنش شیمیایی راه می‌افته. بعدش، با استفاده از اشعه ایکس فوق سریع، تغییر شکل ابر الکترون رو موقعی که آمونیاک داشت از هم می‌پاشید، ثبت کردن.
حالا اینجا یه نکته باحال از دنیای فیزیک کوانتومی: تو فیزیک کوانتومی، الکترونا توپ کوچیک دَوَرون هسته نیستن! بلکه هر الکترون به صورت یه «ابر شانس» یا “ابر احتمال” دور اتم پخش شده (یعنی تو هر نقطه از این ابر احتمال بیشتری هست که الکترون اونجا باشه). این ابرها همون مدارهای الکترونی هستن که شکلای خاص خودشونو دارن.
برای اینکه یه نقشه از این ابر بسازن، با کمک شبیه‌سازی کوانتوم مکانیکی (یعنی همون مدلایی که بر پایه فرضیات کوانتومی کار می‌کنن)، ساختار الکترونی مولکول رو حساب کردن. برنامه‌ای هم که داشتن حساب کرد این الکترونا کجاها بیشتر جمع میشن.
وقتی اشعه ایکس از این ابر الکترونی می‌گذره، خودش مثل یه موج عمل می‌کنه، و بسته به اینکه کدوم قسمت ابر چگال‌تره، به شکل‌های مختلفی پخش میشه (به این میگن پراکندگی). تازه این موجا می‌تونن با هم تداخل کنن، یعنی تقویت یا تضعیف بشن. با اندازه‌گیری همین الگوی تداخل، تونستن تصویر ابر الکترونی رو به‌دست بیارن و دقیقاً ببینن که الکترون چطوری تو واکنش حرکت می‌کنه.
برای اینکه مطمئن بشن، نتایج رو با دوتا مدل تئوری مقایسه کردن: یکی که حرکت الکترون والانس رو حساب می‌کرد، یکی که نه. داده‌ها فقط با همون مدلی که حرکت رو نشون می‌داد، جور بودن! یعنی واقعاً حرکت الکترون رو ثبت کردن، نه یه چیز تصادفی.
آزمایش تو یکی از مراکز پیشرفته دنیا به اسم “آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC” در آمریکا انجام شد (این مرکز یه شتاب‌دهنده خطی عظیم داره و می‌تونه پالس‌های خارق‌العاده‌ای از اشعه ایکس تولید کنه).
حالا دانشمندا میخوان این سیستم رو برای محیط‌های سه‌بعدی و پیچیده‌تر، شبیه بافت‌های زنده ارتقا بدن؛ این یعنی یک قدم نزدیک‌تر به اینکه حتی تو پزشکی بازساختی بتونیم بافت‌ها رو رشد یا ترمیم کنیم.
خلاصه، علم با سرعت نور داره میره جلو! دفعه بعدی که حرف از شیمی پیش اومد، می‌تونی با اعتماد به نفس بگی: “آره، حرکت واقعی الکترون تو واکنشو دیدن، خوندم دیگه!”
منبع: +
