دانشمندان فرآیندهای ناشناخته مولکول‌های آلوده‌کننده هوا را کشف کردند

تعامل بین مولکول‌های هیدروکربن و نور می‌تواند منجر به فرآیند‌های شیمیایی شود که آلودگی هوا را تشدید می‌کنند. یکی از این فرآیندها، انتقال پروتون (Proton Transfer) است که در آن یک پروتون از بخشی از مولکول به بخش دیگر آن منتقل می‌شود. این تحقیق نشان می‌دهد که انتقال پروتون همراه با حرکت پیچشی خارج از صفحه مولکولی (Out-of-Plane Twisting) اتفاق می‌افتد، این دو مرحله برای آرامش انرژی مولکول حیاتی هستند.
فناوری‌های پیشرفته برای مشاهده حرکات نانومتری
به گزارش scitechdaily، برای مشاهده این حرکات فوق‌سریع و فوق‌دقیق، تیم تحقیقاتی از دوربین الکترونی فوق‌سریع استفاده کرد که قادر به ثبت حرکات مولکولی در مقیاسی بیش از ۱۰،۰۰۰ برابر کوچک‌تر از قطر یک تار موی انسان است. این تکنیک با ترکیب مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته، جزئیات دقیقی از تغییرات شکل مولکولی را آشکار کرد که قبلاً غیرقابل مشاهده بودند.

در این مطالعه، محققان به بررسی مولکول اورتو-نیتروفنول (o-Nitrophenol) پرداختند که پس از جذب نور به حالت برانگیخته می‌رود. آزمایش‌ها نشان داد که این مولکول پس از جذب نور، ابتدا یک انتقال پروتون انجام می‌دهد و سپس بخشی از مولکول از صفحه اصلی خود خارج می‌شود (Depolarization). شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیشرفته نیز یافته‌های تجربی را تأیید کردند.
آرامش مولکولی، رمز آلودگی هوا
آرامش مولکولی فرآیندی است که در آن یک مولکول پس از جذب نور از حالت برانگیخته و پرانرژی به حالت پایه‌ای با انرژی کمتر بازمی‌گردد. اگرچه مطالعات قبلی پیشنهادات مختلفی برای نحوه آرامش مولکول‌های هیدروکربن ارائه کرده بودند، اما کمبود داده‌های تجربی وجود داشت. این مطالعه مسیری کلیدی را شناسایی کرده است که شامل انتقال پروتون و پیچش مولکولی است. این کشف می‌تواند پایه‌ای برای بررسی مولکول‌های پیچیده‌تر باشد که معتقدند به طور مشابه عمل می‌کنند.
چالش‌های مشاهده حرکات مولکولی
تعامل بین نور و مولکول‌های نیتروآروماتیک هیدروکربنی می‌تواند به فرآیند‌های شیمیایی منجر شود که آلودگی هوا و مه‌آلودگی را تشدید می‌کنند. با این حال، تغییرات هندسه مولکولی به دلیل این تعاملات بسیار دشوار است که اندازه‌گیری شوند، زیرا در مقیاس‌های طولی کمتر از یک آنگستروم (یک دهم میلیاردیوم متر) و در مقیاس زمانی فمتوثانیه (یک میلیونیم میلیاردیوم ثانیه) رخ می‌دهند.

برای غلبه بر این چالش، محققان از دستگاه پراش الکترونی فوق‌سریع نسبیتی (UED) در Linac Coherent Light Source (LCLS) در آزمایشگاه ملی SLAC استفاده کردند. این دستگاه، که توسط اداره علوم وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) اداره می‌شود، توانایی لازم برای مشاهده حرکات فوق‌کوچک و فوق‌سریع را فراهم می‌کند.
در این پژوهش، دانشمندان از UED برای مشاهده آرامش مولکول o-نیتروفنول پس از برانگیختگی نوری استفاده کردند. سپس با بهره‌گیری از الگوریتم تناسب ساختار ژنتیکی، اطلاعات جدیدی درباره تغییرات کوچک در شکل مولکولی استخراج کردند که در مطالعات قبلی غیرقابل تشخیص بودند. این آزمایش به طور دقیق مراحل کلیدی آرامش این مولکول — انتقال پروتون و پیچش خارج از صفحه — را حل کرد.

این نتایج نه تنها درک ما از فرآیند آرامش مولکولی را عمیق‌تر کرده، بلکه راه را برای مطالعه انتقال پروتون در سیستم‌های پیچیده‌تر هموار می‌کند. این پیشرفت می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا نحوه تشکیل آلودگی هوا را بهتر درک کرده و راه‌حل‌های مؤثرتری برای کاهش آن ارائه دهند.