استراتيجية جديدة تكشف عن “التعقيد الكيميائي الكامل” لفك الترابط الكمي

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. هذه الخاصية، المعروفة باسم 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 عند التفاعل مع البيئة المحيطة به.

التحدي المتمثل في فك الترابط الكمي

لإطلاق العنان لقوة الكيمياء لبناء بنيات جزيئية معقدة للتطبيقات الكمومية العملية، يحتاج العلماء إلى فهم فك الترابط الكمي والتحكم فيه حتى يتمكنوا من تصميم جزيئات ذات خصائص تماسك كمي محددة. يتطلب القيام بذلك معرفة كيفية تعديل البنية الكيميائية للجزيء بطريقة عقلانية 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 بعيد المنال من الناحية النظرية والتجريبية. لكن فريقًا من العلماء طور طريقة لاستخراج الكثافة الطيفية للجزيئات في المذيبات باستخدام تجارب رامان الرنينية البسيطة، وهي طريقة تلتقط التعقيد الكامل للبيئات الكيميائية. بقيادة إجناسيو فرانكو، الأستاذ المشارك في الكيمياء والفيزياء بجامعة روتشستر، نشر الفريق النتائج التي توصلوا إليها 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 هو المسؤول في الغالب عن ذلك. ونتيجة لذلك، يمكن للعلماء الآن رسم خريطة لمسارات فك الترابط لربط البنية الجزيئية مع فك الترابط الكمي.

“تنشأ الكيمياء من فكرة أن التركيب الجزيئي يحدد الخواص الكيميائية والفيزيائية للمادة. يوجه هذا المبدأ التصميم الحديث للجزيئات لتطبيقات الطب والزراعة والطاقة. يقول إجناسيو جوستين، طالب دراسات عليا في الكيمياء بجامعة روتشستر والمؤلف الأول للدراسة: “باستخدام هذه الاستراتيجية، يمكننا أخيرًا البدء في تطوير مبادئ التصميم الكيميائي لتقنيات الكم الناشئة”.

تجارب الرنين رامان: أداة رئيسية

وجاء هذا الإنجاز عندما أدرك الفريق أن تجارب الرنين رامان قد أسفرت عن جميع المعلومات اللازمة لدراسة فك الترابط مع التعقيد الكيميائي الكامل. تُستخدم مثل هذه التجارب بشكل روتيني لدراسة الفيزياء الضوئية والكيمياء الضوئية، لكن فائدتها في فك الترابط الكمي لم تكن موضع تقدير. انبثقت الأفكار 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، كيف أن التراكبات الإلكترونية في الثايمين، أحد العناصر الأساسية في بناء الحمض النووي، تتفكك في 30 فيمتوثانية فقط (الفيمتو ثانية واحدة هي جزء من مليون من مليار من الثانية) بعد امتصاصها للأشعة فوق البنفسجية. ووجدوا أن بعض الاهتزازات في الجزيء تهيمن على الخطوات الأولية في عملية فك الترابط، بينما يهيمن المذيب على المراحل اللاحقة. بالإضافة إلى ذلك، اكتشفوا 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.

التداعيات والتطبيقات المستقبلية

في نهاية المطاف، يفتح بحث الفريق الطريق نحو فهم المبادئ الكيميائية التي تحكم فك الترابط الكمي. يقول فرانكو: “نحن متحمسون لاستخدام هذه الاستراتيجية لفهم فك الترابط الكمي 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