Οι επιστήμονες κατάφεραν να δουν μια χημική αντίδραση άτομο προς άτομο

Για αιώνες οι άνθρωποι προσπαθούσαν να καταλάβουν τι συμβαίνει όταν ένα μόριο αλλάζει μορφή.

Οι χημικές αντιδράσεις ήταν γνωστές από τα αποτελέσματά τους, όμως η ίδια η στιγμή της αλλαγής παρέμενε κρυμμένη.
Τώρα, μια νέα γενιά τεχνολογιών ακτίνων Χ ανοίγει ένα παράθυρο στον μικρόκοσμο της ύλης. Ερευνητές κατάφεραν να παρακολουθήσουν τις πρώτες στιγμές μιας χημικής αντίδρασης, καταγράφοντας πώς μετακινούνται τα ηλεκτρόνια και πώς αλλάζει η θέση των ατόμων μέσα σε ένα μόριο.

Μια «κάμερα» που δεν τραβά φωτογραφίες
Η τεχνολογία βασίζεται στους τεράστιους επιταχυντές ακτίνων Χ ελεύθερων ηλεκτρονίων, γνωστούς ως XFEL. Το European XFEL στη Γερμανία παράγει εξαιρετικά σύντομους και ισχυρούς παλμούς ακτίνων Χ, οι οποίοι μπορούν να λειτουργήσουν σαν ένα χρονόμετρο για φαινόμενα που συμβαίνουν μέσα σε τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου.

Η διαδικασία θυμίζει κινηματογράφηση σε απίστευτα υψηλή ταχύτητα: Ένας παλμός υπεριώδους φωτός δίνει ενέργεια σε ένα μόριο και ξεκινά μια αντίδραση. Στη συνέχεια, ένας καθυστερημένος παλμός ακτίνων Χ εξετάζει το μόριο σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Με τη συλλογή πολλών τέτοιων «στιγμιοτύπων», οι επιστήμονες ανασυνθέτουν την πορεία της αντίδρασης.

Σε πρόσφατο πείραμα οι ερευνητές μελέτησαν το μόριο 3-φθοριοπυριδίνη. Το ενδιαφέρον ήταν ότι διαφορετικά άτομα μέσα στο ίδιο μόριο αποκάλυψαν διαφορετικές πλευρές της διαδικασίας. Το άζωτο έδωσε πληροφορίες για τις αλλαγές στην κατανομή του ηλεκτρικού φορτίου, ενώ το φθόριο λειτούργησε περισσότερο ως δείκτης των μοριακών δονήσεων που ακολούθησαν. Με αυτόν τον τρόπο οι επιστήμονες μπόρεσαν να ξεχωρίσουν τις ηλεκτρονικές αλλαγές από τις κινήσεις των ατόμων.

Όταν οι δεσμοί σπάνε και δημιουργούνται μπροστά στα μάτια μας
Η τεχνολογία αυτή δεν περιορίζεται μόνο σε μικρά μόρια. Σε άλλα πειράματα με ακτίνες Χ XFEL, ερευνητές κατάφεραν να παρακολουθήσουν τη δημιουργία νέων χημικών δεσμών, όπως τον σχηματισμό μορίου ιωδίου μετά τη διάσπαση ενός άλλου μορίου. Η δυνατότητα να παρακολουθούν οι επιστήμονες τα ενδιάμεσα στάδια μιας αντίδρασης είναι εξαιρετικά σημαντική, γιατί πολλές χημικές διαδικασίες καθορίζονται από στιγμιαίες αλλαγές που διαρκούν ελάχιστα.

Από την προστασία του DNA μέχρι τα υλικά του μέλλοντος
Η νέα μέθοδος μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση διαδικασιών όπου το φως παίζει καθοριστικό ρόλο, όπως οι μηχανισμοί προστασίας του DNA από βλάβες, η μεταφορά ενέργειας σε υλικά που συλλέγουν φως και η ανάπτυξη νέων τεχνολογικών υλικών. Για πρώτη φορά, οι επιστήμονες δεν εξετάζουν μόνο το «πριν» και το «μετά» μιας χημικής αντίδρασης. Καταγράφουν τη στιγμή που η ύλη αλλάζει.

Και αυτή ίσως είναι η μεγαλύτερη αλλαγή, η χημεία από μια επιστήμη παρατήρησης μετατρέπεται σε επιστήμη παρακολούθησης της ίδιας της γέννησης των μορίων.