التحكّم بالتفاعلات الكيميائية بواسطة الليزر

يمكن للإلكترونات في جزيء ما أن تستحوذ على مستويات معينة من الطاقة الكمية المتاحة فحسب. خلال تفاعل كيميائي، يدخل الجزيء في حالة تفاعل وسطية مُنَشَّطة لمدة قصيرة جدًّا، ويعتمد تطور تفاعل ما على مستوى الطاقة الذي تستحوذ الإلكترونات عليه في هذه الحالة.

عند التفاعل مع نبضات الليزر، التي يأخذ مجالها الكهربائي أشكال موجات معينة، قد تتبدل مستويات الطاقة الكميّة التي تستحوذ عليها الإلكترونات في أثناء تواسط التفاعل. وهذا يعتمد على شكل موجات المجال الكهربائي لليزر المستعمل. ففي حال استعمال نبضات الليزر فائقة القصر، ولمدة بضع فمتوثوانٍ فقط، هناك ميزة خاصة بنبضات الليزر يمكن التلاعب بها، تعرف باسم مرحلة مغلّف الناقل (CEP)، تحدّد شكل موجات المجال الكهربائي لهذه النبضات بدقة. لذا، يسمح تعديل CEP للباحثين بسَبْر الديناميكا التي يولدها الليزر في الذرات والجزيئات والأهداف الصلبة، كما يشرح الناصر.

سلّط الفريق نبضات ليزر ذات أطوار مغلف ناقل متفاوتة على غرفة التفاعل لدراسة تأثير طور مغلف الناقل على التأيّن المحدث بالليزر وعلى تجزئة الأسيتيلين. يشرح الناصر قائلا: "يمكننا قياس اعتماد هذه العمليات ونتائجها بالنسبة إلى قيمة طور مغلف الناقل. وبمعرفة هذه الاعتمادية سنتمكن من تفصيل نبضات معينة ذات أشكال معينة يمكنها تحسين مسار تفاعل معين عن سواه، بما يمكننا بالتالي من تحسين نتائج تفاعل معيّن".

تمكن الفريق أيضًا من الكشف عن المسار الذي يتخذه البروتون -أو أي جسيم مشحون آخر- تجاوبًا مع استقطاب معين لليزر. ويضيف الناصر: "يمكننا عندئذ الربط بين الاندفاع المفضل يسارًا/ يمينًا لهذه الجسيمات المشحونة وقيمة طور مغلف الناقل. يتماشى الانطلاق المفضل إلى اليسار أو اليمين مع الكسر الانتقائي للرابط الأيسر/ الأيمن ضمن الجزيء الخطي للأسيتيلين في هذه الحالة".

على الرغم من التقدم الهائل في مجال التفاعلات الكيميائية الموجهة بالليزر، فإن معظم التقنيات المطوّرة حتى الآن يمكنها التلاعب بجزيئات صغيرة، والتخليق المراقب لمواد أكثر تعقيدًا سيتطلب فهمًا أكثر تطورًا للتفاعلات بين الليزر والمادة. 

"لن يحلّ التحكم الكمّي محلّ الطرق الكيميائية التقليدية للتخليق"، وفق أحمد زويل، الحائز جائزة نوبل في الكيمياء 1999 لعمله الرائد في التحليل الطيفي المقرر زمنيا وكيمياء الفيمتوثانية. "ولكن الثراء الفكري لهذا المجال يفتح آفاقًا جديدة أمام الاحتمالات المستقبلية".

 

وأضاف لوتشتد أن ثمة شوطًا طويلاً كان علينا قطعه قبل أن نتمكن من تطبيق هذا النوع من التحطيم الانتقائي للروابط على أي أمر يتخطى حدود التفاعلات وحيدة الجزيء للجزيئات الصغيرة في الطور الغازيّ.