अल्ट्राफास्ट एक्स-रेले खिचे परमाणु तहमा हुने रासायनिक परिवर्तन

१४ साउन, काठमाडौं । वैज्ञानिकहरूले कुनै अणुले प्रकाश सोसेपछि त्यसमा ऊर्जा कसरी प्रसारण हुन्छ भन्ने कुरा प्रत्यक्ष अवलोकन गरेका छन्। यस प्रक्रियामा फरक-फरक परमाणुले रूपान्तरणका फरक-फरक अवस्था दर्ता गर्ने कुरा पत्ता लागेको छ।

युरोपियन एक्सएफईएलमा उत्पादन गरिएका द्रुत एक्स-रे फ्ल्याश प्रयोग गरेर अनुसन्धानकर्ताहरूले अणुले ऊर्जा उत्सर्जन र पुनःवितरणमा हुने सूक्ष्म परिवर्तन पछ्याएका थिए। प्रकाशको सम्पर्कले कुनै परमाणुलाई छिमेकी (नेबरिंग) परमाणुको चालप्रति बढी संवेदनशील बनाउन सक्ने उनीहरूको नतिजाले देखाएको छ।

यो प्रविधिले परमाणु स्तरमा हुने अत्यन्त द्रुत रासायनिक प्रतिक्रियालाई वास्तविक समयमा अध्ययन गर्ने बाटो खोलेको छ। यसले डिएनएले प्रकाशको असर कसरी सहन्छ र प्रकाशबाट ऊर्जा सङ्कलन गर्ने सामग्रीमा ऊर्जा कसरी प्रवाह हुन्छ भन्ने बुझ्न मद्दत गर्नेछ।

अनुसन्धानकर्ताहरूले ३-फ्लोरोपाइरिडिन नामको सानो चक्राकार अणुको अध्ययन गरेका थिए। यो अणुमा नाइट्रोजन र फ्लोरिन दुवै परमाणु हुन्छन्। अणुले अल्ट्राभायोलेट लेजर पल्सबाट ऊर्जा सोस्दा यसका इलेक्ट्रोन उच्च ऊर्जा अवस्थामा पुग्छन्। त्यसपछि अणु आफ्नो समतल संरचनाबाट द्रुत रूपमा बाङ्गिन्छ।

आकार परिवर्तन हुने क्रममा यो कोनिकल इन्टरसेक्सन भनिने क्षणिक तर महत्त्वपूर्ण विन्दुबाट गुज्रन्छ। यो विन्दुमा इलेक्ट्रोन र परमाणुको केन्द्रको चाल आपसमा बलियो रूपमा जोडिन्छन्। यसले ऊर्जालाई इलेक्ट्रोनिक र संरचनात्मक चालबीच द्रुत रूपमा सर्न मद्दत गर्छ। यो क्षेत्र पार गरेपछि अणु आफ्नो मूल अवस्थामा फर्किन्छ। त्यसपछि बढी भएको इलेक्ट्रोनिक ऊर्जा कम्पनमा परिणत भएर आणविक संरचनाभरि फैलिन्छ।

ऊर्जाको रूपान्तरणले अणुभित्रका फरक-फरक ठाउँमा फरक-फरक सङ्केत देखाएको थियो। फ्लोरिन परमाणुले समयक्रममा अणुको कम्पन कसरी शान्त हुन्छ भन्ने स्पष्ट सङ्केत दियो।

नाइट्रोजन परमाणुले भने अलि जटिल अवस्था देखाएको थियो। यसले मूल इलेक्ट्रोनिक उत्तेजनामा प्रत्यक्ष भूमिका खेलेकाले यसको सङ्केतले इलेक्ट्रोनको पुनःवितरण र अणुको परिबर्तनशील संरचना दुवै प्रतिविम्बित गर्यो।

‘हामीले हाम्रा एक्स-रे पल्सबाट लिने सङ्केतमा प्रत्येक परमाणुले एउटै कुरा नबताउने तथ्य अहिले देख्न सक्छौँ,’ इन्स्टिच्युटो डि सिएन्सिया डि म्याटेरियल्स डि म्याड्रिडका सह-लेखक एन्टोनियो पिकोनले भने, ‘केही परमाणुले चार्ज कता जाँदैछ भन्ने कुरा बताउँछन् भने अरूले सम्पूर्ण अणु कसरी कम्पन हुन्छ भन्ने कुरा खुलाउँछन्।’

यो प्रक्रिया कैद गर्न टोलीले युरोपियन एक्सएफईएलको स्मल क्वान्टम सिस्टम्स (एसक्यूएस) उपकरणमा टाइम-रिजोल्भ्ड एक्स-रे फोटोइलेक्ट्रोन स्पेक्ट्रोस्कोपी प्रयोग गरेको थियो।

पहिले अल्ट्राभायोलेट लेजर पल्सले अणुहरूमा ऊर्जा पुर्‍याएको थियो। त्यसपछि सही समयमा पठाइएको सफ्ट एक्स-रे पल्सले नाइट्रोजन वा फ्लोरिन परमाणुबाट गहिरो रूपमा बाँधिएका इलेक्ट्रोन हटाएर तिनलाई आयनीकरण गर्यो।

अनुसन्धानकर्ताहरूले प्रारम्भिक लेजर पल्सपछि धेरै फरक समयको अन्तरालमा एक्स-रे पल्स पठाएर यो मापन दोहोर्याएका थिए। मुक्त भएका इलेक्ट्रोनको ऊर्जा रेकर्ड गरेर उनीहरूले केही पिकोसेकेन्ड (एक सेकेन्डको एक खर्ब भागको एक भाग) भित्र प्रत्येक परमाणुको वरपरको रासायनिक वातावरण कसरी बदलियो भन्ने कुराको पुनर्निर्माण गरे।

प्रयोगबाट आएका सङ्केतहरूको व्याख्या गर्न र तिनलाई आन्तरिक इलेक्ट्रोनिक तथा संरचनात्मक परिवर्तनसँग जोड्न उन्नत कम्प्युटर सिमुलेसन र सैद्धान्तिक मोडेलहरूको प्रयोग गरिएको थियो।

यस अनुसन्धानले युरोपियन एक्सएफईएलमा उपलब्ध अति छोटा र उच्च चम्किला एक्स-रे पल्सले पदार्थमा हुने तीव्र चालहरूलाई कसरी अलग गरेर देखाउन सक्छन् भन्ने प्रमाणित गरेको छ।

यो प्रयोग एउटा सरल अणुमा केन्द्रित भए पनि यो विधि जटिल प्रणालीहरूमा पनि लागू गर्न सकिन्छ।

‘युरोपियन एक्सएफईएलको निर्माण नै यही काम सम्भव बनाउनका लागि भएको हो: रासायनिक परिवर्तनलाई यसको सुरुवात हुने विशिष्ट परमाणु स्थलमा र यसको प्राकृतिक समयसीमामा हेर्नु,’ एसक्युएसका अतिथि वैज्ञानिक तथा अध्ययनका सह-लेखक ड्यानियल रिभसले भने, ‘बहु-स्थल संवेदनशीलतालाई फेम्टोसेकेन्ड रिजोल्युसनसँग जोडेर हामीले फोटोकेमिस्ट्रीलाई नियन्त्रण गर्ने सूक्ष्म संयन्त्रहरूमा नयाँ ढोका खोलिरहेका छौँ।’