Opanować atom

Fizycy i chemicy z ponad 20 krajów Europy w ramach Europejskiego Programu Współpracy w Dziedzinie Badań Naukowo-Technicznych (COST) pracują wspólnie nad znalezieniem sposobu kontroli reakcji chemicznych na poziomie atomowym. Wśród nich - jako jedyny z Polski - zespół badawczy z Politechniki Gdańskiej.

Akcja COST pod tytułem "XUV/X-ray light and fast ions for ultrafast chemistry" (XLIC) zrzesza w trzech grupach roboczych zarówno doświadczalników, jak i teoretyków badających procesy zachodzące w wyniku oddziaływania światła laserowego z materią, w szczególności dynamikę takich reakcji zachodzących w ultrakrótkiej femto-sekundowej (1 fs = 10^-15 s = 0.000000000000001s!), a nawet atto-sekundowej (1 as = 10^-18 s) skali czasu. 

Twórcą femtochemii jest Ahmed Zewail, który za udowodnienie, że za pomocą impulsów laserowych jest w stanie kontrolować reakcje chemiczne w jodku sodu, otrzymał nagrodę Nobla w 1999 r.

Wraz z odkryciem impulsów laserowych o tak krótkim czasie trwania pojawiła się niespotykana dotąd możliwość zbadania i obserwacji ruchu jąder i elektronów w cząsteczce w czasie rzeczywistym. Dzięki temu możemy oglądać tzw. "filmy", w których cząsteczki odgrywają główne role!

Od tej pory naukowcy na całym świecie zajmujący się chemią fizyczną, fizyką molekularną i atomową pracują nad uzyskaniem kontroli nad tworzeniem i niszczeniem wiązań chemicznych w molekułach za pomocą silnych laserów i szybkich jonów. Promieniowanie XUV/X wytwarzane za pomocą takich laserów charakteryzuje się bardzo krótką długością fali. Za pomocą impulsów świetlnych naukowcy wnikają w głąb atomów i molekuł badając ich strukturę.

Inną metodą selektywnego modyfikowania własności molekuły jest wykorzystanie szybkich jonów. Naukowcy przyspieszają zjonizowane atomy, który reagują z innymi molekułami m. in. za pomocą oddziaływania kulombowskiego. Zjonizowany atom potrafi również wysysać elektrony z molekuł lub powodować zmianę ich kształtu geometrycznego.

Raz do roku naukowcy wchodzący w skład wszystkich grup roboczych akcji spotykają się aby omówić postępy badań realizowanych w ramach projektu. Tym razem przyjadą na PG, która jest jedyną instytucją z Polski uczestniczącą w grancie XLIC.

Reprezentantem akcji w Komitecie Sterującym jest prof. dr hab. Józef Sienkiewicz, prorektor PG ds. nauki oraz kierownik Katedry Fizyki Teoretycznej i Informatyki Kwantowej na Wydziale Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej. Pod jego kierunkiem fizycy z gdańskiej uczelni od sześciu lat prowadzą badania związane z dynamiką reakcji na poziomie atomowym. XLIC to kolejny już grant europejski, w który się zaangażowali.

- Odległości między atomami w cząsteczkach zmieniają się od kilku do kilkudziesięciu angstremów ( 1 angstrem to 10^-10 m - przyp. red.). Poza tym są one w nieustannym ruchu. Tylko bardzo specjalistyczne lasery pozwalają badać materię z najwyższą precyzją - mówi dr inż. Patryk Jasik z zespołu badawczego z WFTiMS. - Sama możliwość badania jest tylko wstępem do realnych osiągnięć. Jeśli uda nam się naprawdę zapanować nad reakcjami chemicznymi, będzie można tworzyć dowolne związki chemiczne i dowolne molekuły. Strzelając impulsami laserowymi będziemy w stanie łączyć ze sobą atomy i dołączać kolejne, tworząc różnorodne molekuły w kontrolowany sposób. Oczywiście taki impuls działa też w drugą stronę. Jeśli będziemy chcieli zniszczyć molekułę lub ją zmienić, wystarczy użyć promieniowania laserowego o odpowiednich właściwościach.

Jeśli uda się uzyskać kontrolę nad wybiórczym zrywaniem lub modyfikowaniem wiązań w molekule, medycyna zyska potężne narzędzie do walki z wieloma chorobami, w tym z nowotworami. Komórki rakowe, powstające w wyniku mutacji DNA zdrowych komórek, namnażają się powodując rozrost nowotworu. Z aplikacyjnego punktu widzenia, badania tego typu mają ogromne znaczenie w medycynie, a szczególnie w badaniach nad uszkodzeniami DNA i RNA, oraz w radioterapii. Poznanie i identyfikacja ścieżek wymienionej reakcji jest obecnie najbardziej efektywnym sposobem uszkadzania DNA i ma duży wpływ na odkrywanie potencjalnych procesów naprawczych tkanek.

Możliwość kontroli reakcji chemicznych na poziomie atomu zrewolucjonizuje również farmaceutykę. Dobór odpowiednich impulsów promieniowania laserowego pozwoli syntetyzować leki o dowolnym składzie. Trudno również wyobrazić sobie, ile nowych materiałów i o jakich, dziś nieosiągalnych właściwościach, będzie można dzięki temu stworzyć.

- Oczywiście mówię tutaj o potencjalnych możliwościach, przed nami jeszcze wieloletnie badania - zastrzega dr. Patryk Jasik.

Fundatorem grantu badawczego XLIC jest COST European Cooperation in Science and Technology - Europejski Program Współpracy w Dziedzinie Badań Naukowo-Technicznych, międzyrządowa ramowa organizacja europejska koordynująca badania finansowane ze środków poszczególnych państw członkowskich UE.

Więcej na temat badań XLIC w rozmowie z dr. Jasikiem (w załączniku). 

Spotkanie generalne XLIC odbędzie się w dniach 10-12 września 2014 r. w Auditorium Novum PG. Program wydarzenia.

Ilustracje do artykułu pochodzą ze strony http://xlic.qui.uam.es/

dostarczył infoWire.pl