أعلن باحثون في روتشستر عن استراتيجية لفهم كيفية فقدان التماسك الكمي للجزيئات في مذيب ذي تشابك كيميائي كامل. تفتح النتائج الباب أمام التعديل العقلاني للتماسك الكمي من خلال التصميم الكيميائي والتنشيط. الائتمان: آني أوستاو دي لافونت
يمكن استخدام هذه الاكتشافات 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 وقت واحد، مما يتحدى منطق التجارب اليومية. هذه الخاصية، التي تسمى التراكب الكمي، هي الأساس لتقنيات الكم 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 أثناء تفاعله مع البيئة المحيطة به.
التحدي المتمثل في فك الترابط الكمي
لإطلاق العنان لقوة الكيمياء لإنشاء هياكل جزيئية معقدة للتطبيقات الكمية العملية، يجب على العلماء أن يفهموا ويتحكموا في فك الترابط الكمي حتى يتمكنوا من تصميم جزيئات ذات خصائص تماسك كمي محددة. يتطلب القيام بذلك معرفة كيفية تغيير البنية الكيميائية للجزيء بطريقة عقلانية لتعديل أو تقليل فك الترابط الكمي. ولتحقيق هذه الغاية، يحتاج العلماء إلى معرفة “الكثافة الطيفية”، التي تلخص مدى سرعة تحرك البيئة ومدى قوة تفاعلها مع النظام الكمي.
اختراق في قياس الكثافة الطيفية
حتى الآن، ظل قياس هذه الكثافة الطيفية لتعكس دقة الجزيئات أمرًا بعيد المنال من الناحية 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. ونشر الفريق بقيادة إجناسيو فرانكو، الأستاذ المشارك في الكيمياء والفيزياء بجامعة روتشستر، النتائج التي توصلوا إليها. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
ربط البنية الجزيئية بفك الترابط الكمي
وباستخدام الكثافة الطيفية المستخرجة، لا يمكن للمرء أن يفهم مدى سرعة حدوث الاضطراب فحسب، بل يمكن أيضًا تحديد أي جزء من البيئة الكيميائية هو المسؤول على الأرجح 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. وهذا المبدأ يوجه التصميم الحديث للجزيئات للتطبيقات الطبية والزراعية والطاقة. وباستخدام هذه الاستراتيجية، يمكننا أخيرًا البدء في تطوير مبادئ التصميم الكيميائي للتطبيقات الكمومية الناشئة. “التقنيات” ، قال طالب دراسات عليا في الكيمياء في روتشستر والمؤلف الأول للدراسة. يقول المؤلف إجناسيو جوستين.
تجارب الرنين رامان: أداة رئيسية
وجاء هذا الإنجاز عندما أدرك الفريق أن تجارب الرنين رامان قدمت جميع المعلومات اللازمة لدراسة فك الترابط مع التعقيد الكيميائي الكامل. تُستخدم مثل هذه التجارب بشكل روتيني لدراسة الفيزياء الضوئية والكيمياء الضوئية، لكن تطبيقها على فك الترابط الكمي لم يحظى بالتقدير. انبثقت الأفكار الرئيسية من المناقشات مع ديفيد ماكامونت، الأستاذ المشارك في قسم الكيمياء في جامعة روتشستر والخبير في تحليل رامان الطيفي، وسانغ وو كيم، الخبير في فك الترابط الكمومي وهو الآن عضو في هيئة التدريس بجامعة سونام الوطنية في كوريا. وكان باحث ما بعد الدكتوراه في روتشستر.
دراسة حالة: فك ترابط الثيمين
استخدم الفريق طريقتهم لإظهار كيفية وجود التراكبات الإلكترونية في الثيمين، وهو أحد العناصر الأساسية للثايمين. الحمض النووي، يتم فكه خلال 30 فيمتوثانية فقط (الفيمتو ثانية هو جزء من مليون من المليار من الثانية) بعد امتصاص الأشعة فوق البنفسجية. تهيمن اهتزازات معينة في الجزيء على الخطوات المبكرة في عملية فك الترابط، بينما تهيمن تلك الموجودة في المذيب على المراحل اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، اكتشفوا أن التعديلات الكيميائية على الثيمين يمكن أن تغير بشكل كبير معدل فك الترابط، حيث تؤدي تفاعلات الترابط الهيدروجيني 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 الإستراتيجية لفهم فك الترابط الكمي في الجزيئات المعقدة كيميائيًا واستخدامها لإنشاء جزيئات ذات خصائص تماسك قوية”.
المرجع: إجناسيو جوستين، سانغ وو كيم، ديفيد دبليو. ماكاموند وإجناسيو فرانكو، “رسم خرائط لمسارات فك الترابط الإلكتروني في الجزيئات”، 28 نوفمبر 2023. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
دوى: 10.1073/pnas.2309987120
