قدم باحثون في روتشستر استراتيجية لفهم كيفية فقدان التماسك الكمي للجزيئات في مذيب ذي تعقيد كيميائي كامل. تفتح النتائج الباب أمام التعديل العقلاني للتماسك الكمي عبر التصميم الكيميائي والتشغيل. الائتمان: آني أوستاو دي لافونت
ويمكن استخدام النتائج لتصميم جزيئات ذات خصائص تماسك كمي مخصصة، مما يضع الأساس الكيميائي لتقنيات الكم الناشئة.
في ميكانيكا الكم، يمكن للجسيمات أن تتواجد في حالات متعددة في نفس الوقت، مما يتحدى منطق التجارب اليومية. تشكل هذه الخاصية، المعروفة باسم التراكب الكمي، أساس التقنيات الكمومية الناشئة التي تعد بإحداث تحول في الحوسبة والاتصالات والاستشعار. لكن التراكبات الكمومية تواجه تحديًا كبيرًا: عدم الترابط الكمي. خلال هذه العملية، ينهار التراكب الدقيق للحالات الكمومية عند التفاعل مع بيئته.
التحدي المتمثل في فك الترابط الكمي
لإطلاق العنان لقوة الكيمياء وبناء بنيات جزيئية معقدة للتطبيقات الكمومية العملية، يجب على العلماء أن يفهموا ويتحكموا في فك الترابط الكمي حتى يتمكنوا من تصميم جزيئات ذات خصائص تماسك كمي محددة. للقيام بذلك، يجب علينا أن نعرف كيفية تعديل التركيب الكيميائي للجزيء بشكل عقلاني لتعديل أو تخفيف الترابط الكمي. ولتحقيق هذه الغاية، يحتاج العلماء إلى معرفة “الكثافة الطيفية”، وهي الكمية التي تلخص مدى سرعة تحرك البيئة ومدى قوة تفاعلها مع النظام الكمي.
اختراق في قياس الكثافة الطيفية
حتى الآن، ظل قياس هذه الكثافة الطيفية بطريقة تعكس بدقة تعقيدات الجزيئات بعيدًا عن متناول النظرية والتجربة. لكن فريقًا من العلماء طور طريقة لاستخراج الكثافة الطيفية للجزيئات في مذيب باستخدام تجارب رامان الرنينية البسيطة، وهي طريقة تلتقط التعقيد الكامل للبيئات الكيميائية. بقيادة إجناسيو فرانكو، الأستاذ المشارك في الكيمياء والفيزياء بجامعة روتشستر، نشر الفريق نتائجهم في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
ربط البنية الجزيئية بفك الترابط الكمي
باستخدام الكثافة الطيفية المستخرجة، من الممكن ليس فقط فهم مدى سرعة حدوث فك الترابط، ولكن أيضًا تحديد أي جزء من البيئة الكيميائية مسؤول بشكل أساسي عن ذلك. ونتيجة لذلك، أصبح بإمكان العلماء الآن رسم خريطة لمسارات فك الترابط لربط البنية الجزيئية بفك الترابط الكمي.
“تعتمد الكيمياء على فكرة أن التركيب الجزيئي يحدد الخواص الكيميائية والفيزيائية للمادة. يوجه هذا المبدأ التصميم الحديث للجزيئات المخصصة للتطبيقات الطبية والزراعية والطاقة. يقول إجناسيو جوستين، طالب دراسات عليا في الكيمياء بجامعة روتشستر والمؤلف الأول للدراسة: “بهذه الاستراتيجية، يمكننا أخيرًا البدء في تطوير مبادئ التصميم الكيميائي لتقنيات الكم الناشئة”.
تجارب الرنين رامان: أداة رئيسية
وجاء هذا الاختراق عندما أدرك الفريق أن تجارب الرنين رامان قدمت جميع المعلومات اللازمة لدراسة فك الترابط في كل تعقيداته الكيميائية. تُستخدم مثل هذه التجارب بشكل شائع لدراسة الفيزياء الضوئية والكيمياء الضوئية، لكن فائدتها في فك الترابط الكمي لم يتم تقديرها. جاءت النتائج الرئيسية من المناقشات مع ديفيد ماكامانت، الأستاذ المشارك في قسم الكيمياء في جامعة روتشستر والخبير في تحليل رامان الطيفي، ومع تشانغ وو كيم، وهو الآن عضو هيئة التدريس في جامعة تشونام الوطنية في كوريا وخبير في فك الترابط الكمي، بينما كان باحثًا ما بعد الدكتوراه في روتشستر.
دراسة حالة: فك ترابط الثيمين
استخدم الفريق طريقتهم لإظهار، لأول مرة، كيفية التراكب الإلكتروني في الثايمين، وهو أحد العناصر الأساسية للكيمياء. الحمض النووي، يتم الكشف عنها في 30 فيمتوثانية فقط (الفيمتو ثانية واحدة هي جزء من مليون من المليار من الثانية) بعد امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. ووجدوا أن بعض الاهتزازات في الجزيء تهيمن على المراحل الأولية من عملية فك الترابط، بينما يهيمن المذيب على المراحل اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، وجدوا أن التعديلات الكيميائية على الثيمين يمكن أن تغير بشكل كبير معدل فك الترابط، حيث تؤدي تفاعلات رابطة الهيدروجين بالقرب من حلقة الثيمين إلى فك الترابط بشكل أسرع.
الآثار والتطبيقات المستقبلية
في نهاية المطاف، يفتح بحث الفريق الطريق لفهم المبادئ الكيميائية التي تحكم فك الترابط الكمي. يقول فرانكو: “نحن متحمسون لاستخدام هذه الاستراتيجية لفهم فك الترابط الكمي أخيرًا في الجزيئات ذات التعقيد الكيميائي الكامل واستخدامها لتطوير جزيئات ذات خصائص تماسك قوية”.
المرجع: “رسم خرائط لمسارات فك الترابط الإلكتروني في الجزيئات” بقلم إجناسيو جوستين، وتشانج وو كيم، وديفيد دبليو ماكامانت، وإجناسيو فرانكو، 28 نوفمبر 2023، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2309987120
