💥 انفجار اتمی در ثانیه! BESSY II مولکول‌ها را با اشعه ایکس خرد می‌کند

کاوش‌های نوین در BESSY II: شکافتن مولکول‌های پیچیده زیر اشعه ایکس

گروهی بین‌المللی از محققین در BESSY II برای نخستین بار موفق به ردیابی روند تجزیه مولکول‌های سنگین وزن، یعنی بروموکلرو متان، در حین جذب نور اشعه ایکس شده‌اند. آن‌ها با به‌کارگیری یک روش تحلیل جدید، توانستند پویش فوق‌سریع این فرایند را به نظاره بنشینند.

در این فرآیند، فوتون‌های اشعه ایکس نوعی اثر به اصطلاح “کاتاپولت مولکولی” را ایجاد می‌کنند: ابتدا گروه‌های اتمی سبک‌تر به بیرون پرتاب می‌شوند، مثل پرتابه‌هایی که از کاتاپولت شلیک می‌شوند، در حالی که اتم‌های سنگین‌تری مثل برم و کلر با تأخیر بیشتری از هم جدا می‌شوند.

هنگامی که اشعه ایکس به مولکول‌ها برخورد می‌کند، می‌تواند الکترون‌ها را از برخی مدارهای اتمی خارج کرده و آن‌ها را به سطوح انرژی بسیار بالاتر منتقل کند، این رخداد منجر به گسستن پیوندهای شیمیایی می‌شود. معمولا این فعل‌وانفعال با سرعتی باورنکردنی، در بازه زمانی بسیار کوتاهی در حدود چند فمتوثانیه (یک ده میلیونم از یک میلیاردیم ثانیه) اتفاق می‌افتد.

درست است که این پدیده پیش‌تر در مورد مولکول‌های سبک، مثل آمونیاک، اکسیژن، اسید هیدروکلریک یا ترکیبات ساده کربنی مورد مطالعه قرار گرفته بود، اما در مولکول‌هایی با اتم‌های سنگین‌تر کمتر بررسی شده بود. حالا یک تیم از محققان از فرانسه و آلمان تصمیم گرفتند تا تجزیه سریع مولکول‌های حاوی هالوژن‌ها را مورد بررسی قرار دهند. آن‌ها تمرکز خود را بر مولکولی گذاشتند که اتم‌های برم و کلر توسط یک پل سبک، یعنی یک گروه آلکنی (CH2)، به هم متصل شده بودند.

این اندازه‌گیری‌ها در خط پرتو XUV در BESSY II انجام شد.

یک تحلیل نوین از گسستن پیوندهای مولکولی با پرتو ایکس

جذب پرتوهای ایکس سبب گسستن پیوندهای مولکولی می‌شود و در نتیجه، قطعات یونی‌ای ایجاد می‌شوند که می‌توان آن‌ها را تحلیل کرد. دانشمندان با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده، توانستند تصویری از این فرآیند بسازند. این تصویر نشان می‌دهد که اتم‌ها چگونه در حالت‌های میانی گذرا، درست پیش از شکسته شدن پیوندها، به حرکت درمی‌آیند.

برای این منظور، تیم تحقیقاتی یک روش تحلیل جدید به نام IPA (متوسط جفت یونی) را ابداع کردند و آن را با محاسبات تئوری ab initio همراه کردند تا بتوانند این فرآیندها را شبیه‌سازی کنند. نتایج نشان می‌دهد که گروه‌های سبکی مثل CH2 در ابتدا پرتاب می‌شوند، در حالی که اتم‌های سنگین‌تر، مثل برم و کلر، باقی می‌مانند و بنابراین جدا شدن آن‌ها با سرعت کمتری رخ می‌دهد.

نکته جالب توجه اینجاست که این رفتار شبیه کاتاپولت، فقط در انرژی‌های خاصی از پرتوهای ایکس رخ می‌دهد. شبیه‌سازی‌های تئوری که با مشاهدات تجربی هم‌خوانی داشتند، نقش حیاتی ارتعاشات گروه‌های سبک اتمی را در فعال‌سازی این واکنش‌های خیلی سریع برجسته می‌کنند. دکتر اوکسانا تراوینیکوا (از CNRS، دانشگاه سوربن، فرانسه)، که نویسنده اصلی این مطالعه است و نتایج آن در نشریه J. Phys. Chem. Lett منتشر شده، می‌گوید: «این مطالعه، دینامیک منحصربه‌فرد تجزیه مولکولی تحت تابش اشعه ایکس را نمایان می‌سازد.»

به طور خاص، این مطالعه نشان می‌دهد که حرکت شبه کاتاپولت گروه‌های سبک، آغازگر جدایی قطعات سنگین می‌شود؛ فرآیندی که در یک بازه زمانی به طرز شگفت‌انگیزی کوتاه رخ می‌دهد. این کشفیات می‌توانند درک ما از واکنش‌های شیمیایی در سطح مولکولی و تأثیر تابش پرانرژی بر مولکول‌های پیچیده را عمیق‌تر کنند.