برای اولین بار گروهی از محققان بین‌المللی با استفاده از پالس‌های لیزری بسیار سریع توانسته‌اند چگونگی حرکت الکترون‌ها و آرایش مجدد آنها در حین عبور مولکول‌ها از یک «تقاطع مخروطی» را به‌صورت مستقیم مشاهده کنند.
مشاهده الکترون‌ها در مراحل مختلف واکنش شیمیایی
حرکت الکترون‌ها درون مولکول‌ها و میان آنها اساس واکنش‌های شیمیایی به‌شمار
می‌رود. حال برای اولین بار گروهی از محققان بین‌المللی با استفاده از پالس‌های
لیزری بسیار سریع توانسته‌اند چگونگی حرکت الکترون‌ها و آرایش مجدد آنها در
حین عبور مولکول‌ها از یک «تقاطع مخروطی» را به‌صورت مستقیم مشاهده کنند.
تقاطع مخروطی یکی از مشخصه‌های اصلی بسیاری از مسیرهای واکنشی محسوب می‌شود.
این یافته‌ها می‌توانند درک ما را از چگونگی عملکرد مولکول‌های زیستی در
فرایندهای مختلفی همچون فتوسنتز بهبود بخشند.
هانس وورنر از موسسه فناوری فدرال سوئیس در زوریخ به همراه همکارانش تجزیه
نوری دی‌اکسید نیتروژن (NO2) به اکسید نیتروژن (NO) و اتم‌های اکسیژن را
مطالعه کردند. وورنر می‌گوید یکی از دلایل انتخاب NO2 در این مطالعه کوچک
بودن این مولکول و سادگی پیش‌بینی‌های تئوری درباره رفتار آن است. اما
پیچیدگی کار در این است که مکانیسم این واکنش شامل یک تقاطع مخروطی است.
یک تقاطع مخروطی نقطه‌ای است که در آن دو سطح انرژی پتانسیلی در تماس با
یکدیگر قرار می‌گیرند. سطوح انرژی پتانسیلی با محاسبه انرژی پتانسیل محتمل‌ترین
جهت‌گیری و آرایش مولکول‌های واکنش‌دهنده توصیف می‌شوند. این سطوح شبیه
زمینی با قله‌ها و دره‌های مختلف هستند که نشان‌دهنده آرایش‌های پرانرژی و
کم‌انرژی هستند. تغییراتی که در نحوه کشیده شدن یا ارتعاش مولکول‌ها ایجاد
می‌شود، معادل با حرکت به نقاط مختلف روی این سطوح انرژی است. در واکنش‌های
فتوشیمیایی و واکنش‌های دیگری که شامل حالت‌های الکترونی برانگیخته هستند،
به‌طور کلی دو سطح برانگیخته و پایه وجود دارند. در هر نقطه‌ای فاصله میان
این دو حالت نشان‌دهنده مقدار انرژی مورد نیاز برای برانگیختن الکترون‌ها و
یا مقدار انرژی است که یک الکترون برانگیخته هنگام بازگشت به حالت پایه
آزاد می‌کند.
ساده‌ترین حالت تقاطع مخروطی جایی است که قله سطح پایین‌تر با دره سطح بالاتر
برخورد کرده و دو مخروط متصل به‌هم را ایجاد می‌کنند. در این حالت الکترون‌های
برانگیخته بدون آزاد کردن انرژی به حالت پایه منتقل شده و انرژی الکترونی به‌طور
مستقیم به انرژی ارتعاشی هسته تبدیل می‌شود؛ این امر منجر به شکسته شدن و یا ایجاد
پیوند می‌گردد. همچنین این امر محاسبات تئوری حوادث روی داده را بسیار دشوار ساخته
و مشاهدات طیف‌سنجی با استفاده از روش‌های موجود را غیرممکن می‌سازد.
وورنر می‌گوید: «مزیت طیف‌سنجی کاملاً موزون (هارمونیک) حساس بودن آن به ساختارهای
الکترونی است. ما مولکول‌ها را در یک میدان لیزری بسیار قوی قرار می‌دهیم، به‌نحوی
که یک الکترون از مولکول جدا می‌شود». این الکترون شتاب داده شده و به‌سوی مولکول
اولیه بازگردانده می‌شود تا دوباره با آن ترکیب شود؛ در این حالت میدان الکتریکی
مرتبط با پالس لیزری برعکس می‌شود. این امر موجب نشر یک پالس فمتوثانیه‌ای ماورای
بنفش دور توسط آن می‌شود. «این یک تصویر بسیار کوتاه نوری است که نشان‌دهنده ساختار
الکترونی لحظه‌ای مولکول است». این محققان با قرار دادن قطعات مختلف این تصاویر
لحظه‌ای توانستند کاری را که الکترون‌ها هنگام عبور از یک تقاطع مخروطی انجام می
دهند، مشاهده کنند.
جزئیات این کار در مجله Science منتشر شده است.
