باحثون من جامعة أوهايو ستيت وجامعة لويزيانا ستيت طوّروا تقنية رائدة لمراقبة التفاعلات الجزيئية فائقة السرعة في السوائل باستخدام طيفية التوافقيات العالية. في تجربة مفاجئة مع الفلوروبنزين والميثانول، اكتشفوا رابطة هيدروجينية دقيقة تثبط انبعاث الضوء. هذا الاختراق، المنشور في PNAS، يفتح نوافذ جديدة على ديناميكيات السوائل الضرورية للكيمياء والبيولوجيا.
تلعب السوائل دورًا حاسمًا في العمليات البيولوجية والكيميائية، لكن سلوكياتها الجزيئية كانت صعبة الملاحظة بسبب الحركة المستمرة والتفاعلات فائقة السرعة. الطرق التقليدية مثل طيفية الضوء البصرية بطيئة جدًا لالتقاط هذه الأحداث، التي تحدث على مقاييس زمنية أتتوثانية—مليار من المليارات من الثانية.
قام فريق من جامعة أوهايو ستيت (OSU) وجامعة لويزيانا ستيت (LSU) بتغيير ذلك من خلال تكييف طيفية التوافقيات العالية (HHS)، وهي تقنية بصرية غير خطية كانت محدودة سابقًا بالغازات والصلبة. تستخدم HHS نبضات ليزر شديدة وقصيرة لتنيون الجزيئات، مما يطلق إلكترونات تعاود الاقتران وتنبعث ضوء يكشف عن حركات الإلكترونات والنوى. للتغلب على تحديات السوائل—مثل امتصاص الضوء وتعقيد الإشارة—أنشأ الباحثون صفيحة سائلة فائقة النعومة تسمح بخروج المزيد من ضوء التوافقيات للكشف.
اختبر الفريق خلطات بسيطة، حيث جمعوا الميثانول مع الهالوبنزينات، جزيئات تختلف فقط في ذرة هالوجين واحدة: الفلور، الكلور، البروم، أو اليود. أنتجت معظم الخلطات إشارات توافقية متوقعة، ممزوجة بانبعاثات المكونات. ومع ذلك، تصرفت محلول الفلوروبنزين-الميثانول بشكل مختلف، مما أعطى ضوءًا أقل عمومًا وكبت توافقيًا واحدًا تمامًا.
"فوجئنا حقًا برؤية أن محلول PhF-الميثانول أعطى نتائج مختلفة تمامًا عن المحاليل الأخرى"، قال لو دي ماورو، أستاذ فيزياء إدوارد إي. وسيلفيا هاغنلوكر في OSU. "لم تكن نسبة العائد من الخليط أقل بكثير مما هي عليه لكل سائل على حدة، بل وجدنا أيضًا أن توافقيًا واحدًا كُبت تمامًا."
شرحت المحاكاة هذا كـ'مصافحة جزيئية'—رابطة هيدروجين بين الفلور في الفلوروبنزين والمجموعة الأكسجين-هيدروجين في الميثانول، مدفوعة بكهرسلبية الفلور. تخلق هذه الهيكل المنظم حاجزًا لتشتت الإلكترونات، يتداخل مع توليد التوافقيات. "وجدنا أن خليط PhF-الميثانول مختلف قليلاً عن الآخرين"، لاحظ جون هيربرت، أستاذ كيمياء في OSU. أكد فريق LSU ذلك عبر نماذج معادلة شرودنغر المعتمدة على الزمن، موضحًا أن موضع الحاجز يؤثر على أنماط الكبت، مما يوفر رؤى حول هياكل التحلل المحلية.
"كنا متحمسين لدمج نتائج التجربة والنظرية، عبر الفيزياء والكيمياء والبصريات، لنتعلم شيئًا جديدًا عن ديناميكيات الإلكترون في بيئة السائل المعقدة"، قالت ميتي غارد، أستاذة فيزياء بويد في LSU.
يمكن لهذا التقدم أن يضيء العمليات في الخلايا، وأضرار الإشعاع، والمواد، مع حساسية HHS الآن لتفاعلات المتحلل-المذيب. ممول من قبل DOE وNSF، يظهر الدراسة في Proceedings of the National Academy of Sciences (2025).
