Bilim İnsanları İlk Kez Mutlak Sıfırda Hareket Eden Molekülleri Yakaladı
Ultra kısa, yüksek yoğunluklu X-ışını lazer darbeleri, moleküllerin kontrollü patlamalarını tetikleyerek moleküler yapıların yüksek çözünürlüklü görüntülerinin elde edilmesini mümkün kılıyor.
Yeni görüntüleme, kuantum fiziği sayesinde moleküllerin mutlak sıfırda bile titreştiğini ve kaydığını ortaya koyuyor.
Molekülleri genellikle minik, sabit yapılar olarak düşünürüz; tıpkı küçük Lego modelleri gibi, yerlerine kilitlenmiş. Ancak yeni araştırmalar, moleküllerin en soğuk hallerine dondurulduklarında bile hareketsiz olmadıklarını gösteriyor. Sürekli olarak hafifçe titreyip hareket ediyorlar, yani bilim insanlarının “bulanık” dedikleri bir durumdalar.
Science dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada , araştırmacılar dünyanın en güçlü X-ışını lazerlerinden birini kullanarak ilk kez bir molekülün titremesini yakaladılar. Bu keşif, maddenin temel yapı taşlarının şimdiye kadar gördüğümüzden daha dinamik olduğunu ve moleküller kararlı görünseler bile yüzeyin altında sürekli hareket halinde olduklarını gösteriyor.
Bu tuhaf davranış, kuantum fiziğinin kurallarından biri olan Heisenberg belirsizlik ilkesinden kaynaklanır . Kural, özünde bir şeyin tam olarak nerede olduğunu ve aynı anda ne kadar hızlı hareket ettiğini bilemeyeceğinizi söyler. Başka bir deyişle, bir moleküldeki atomlar, mümkün olan en düşük sıcaklık olan mutlak sıfırda bile asla tamamen hareketsiz olamazlar. Bu hareketler, temel durum yapısal dalgalanmaları olarak bilinir ve şimdiye kadar kimse bunları karmaşık bir molekülde hareket halindeyken yakalayamamıştı.
46 yazardan oluşan ekibin makalelerinde açıkladığı gibi: “Heisenberg belirsizlik ilkesi nedeniyle, bir molekülün yapısı, temel durumda bile, ortalama geometrisi etrafında dalgalanır.”
Bilim İnsanları Hareket Halindeki Molekülleri Ortaya Çıkarmak İçin X-Işınlarını Nasıl Kullandı?
Uluslararası araştırma ekibi, bu atomik kıpırtıyı gözlemlemek için 11 atomdan oluşan düz, halka şeklinde bir yapıya sahip olan 2-iyodopiridin adlı bir molekülü inceledi.
Moleküller, görünür ışığın dalga boyundan çok daha küçük oldukları için, alışılmış yöntemlerle fotoğraflanamazlar. Bu nedenle bilim insanları, molekülleri parçalamak için güçlü bir X-ışını lazeri kullandılar ve ardından parçaları takip ettiler. Coulomb patlaması görüntüleme olarak bilinen bu yöntem şu şekilde çalışır: X-ışını darbesi, molekülden elektronları kopararak atomları pozitif yüklü hale getirir. Atomlar daha sonra birbirlerini iter ve tıpkı mıknatısların birbirine itilmesi gibi birbirlerinden uzaklaşırlar.
Bilim insanları, her bir parçanın nerede ve ne kadar hızlı hareket ettiğini ölçerek, molekülün patlamadan hemen önce nasıl göründüğünü yeniden oluşturabildiler. Bu, bir havai fişeğin fırlatıldığında nasıl bir şekle sahip olduğunu anlamak için parçalarına bakmaya benziyor.
Moleküllerin Mutlak Sıfırda Hareket Ettiğine Dair İlk Doğrudan Kanıt
Sonuçlar şaşırtıcıydı. Molekül başlangıçta düz olmasına rağmen, birçok atomun bu düz düzlemden dışarı fırladığı görüldü. Bu, ancak patlama başlamadan önce düzlemden zaten çıkıyorlarsa mantıklıdır.
Daha da önemlisi, atomlar rastgele uçuşmuyordu. Bunun yerine, bir dans gösterisindeki dansçılar gibi koordineli bir şekilde hareket ediyorlardı.
Bu hareketlerin kuantum etkilerinden kaynaklandığını kanıtlamak için ekip, bilgisayar simülasyonları yürüttü. Kuantum “titreşimi” hesaba katılmadığında, atomlar aynı şekilde hareket etmedi. Kuantum etkileri hesaba katıldığında, sonuçlar laboratuvarda gördükleriyle örtüştü. Bu, şimdiye kadar sadece tahmin edilen kuantum dalgalanmalarını gerçekten gözlemlediklerini doğruladı.
Araştırmacılar Karmaşık Molekülleri İncelemenin Önündeki Engelleri Nasıl Aştı?
Bu deneyden önce, bilim insanları bu tür hareketleri yalnızca çok küçük moleküllerde inceleyebiliyordu. Daha büyük moleküller patladığında daha fazla parça oluşturur ve tüm parçaları yakalamak zordur. Bu durumda, dedektörler her molekülden yalnızca yaklaşık %60 parça yakalayabildi.
Ancak ekip, pes etmek yerine boşlukları doldurmak için akıllıca bir matematik kullandı. Makaleye göre, “analiz şemamız, ölçümlerimiz 33 boyutlu momentum uzayının yalnızca küçük bir kısmını kapsamasına rağmen, bu varyasyonları çıkarmamıza olanak tanıyor.” Bu, yakaladıkları parçalar arasındaki örüntülere ve ilişkilere bakarak, molekülün hareketini kısmi verilerden bile olsa yeniden oluşturabildikleri anlamına geliyor .
Bu, gelecekte çok daha karmaşık moleküllerin incelenmesinin kapısını açtı.
Çalışmanın ortak yazarı ve Frankfurt Goethe Üniversitesi Nükleer Fizik Enstitüsü ve Heidelberg Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü’nde profesör olan Till Jahnke, yaptığı açıklamada, “Yöntemimizi sürekli geliştiriyoruz ve bir sonraki deneyleri şimdiden planlıyoruz,” diyor. “Amacımız, atomların dansının ötesine geçmek ve buna ek olarak elektronların dansını da gözlemlemek; bu, önemli ölçüde daha hızlı ve atom hareketinden de etkilenen bir koreografi . Cihazlarımızla, bir zamanlar hayal bile edilemeyen moleküler süreçlerin gerçek kısa filmlerini kademeli olarak oluşturabiliyoruz.”
Kuantum Molekül Hareketi Kimya ve Biyolojiyi Neden Değiştirebilir?
Bu çığır açan buluş, bilim insanlarının moleküllerin sadece teoride değil, eylemde de nasıl davrandığını daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir. Bu küçük dalgalanmalar, moleküllerin birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini, kimyasal reaksiyonların ne kadar hızlı gerçekleştiğini ve bir ilacın vücuttaki hedefine ne kadar iyi uyduğunu etkileyebilir.
Makalede, acil tıbbi uygulamalar öngörmek şöyle dursun, bu tekniğin “kimyasal dinamikleri keşfetmek için yeni yollar açtığı” ve “moleküler sistemlerin zaman evrimine ilişkin kıyaslanamayacak kadar daha ayrıntılı bir anlayışa” yol açabileceği belirtiliyor.
Kısacası, araştırma moleküllerin donmuş, sabit şekillere sahip olmadığını gösteriyor. En kararlı hallerinde bile sürekli değişiyorlar. Bu bulanıklık, ölçümlerimizdeki bir kusur değil; aksine, maddenin nasıl davrandığının temel bir parçası. Ve şimdi, ilk kez, bunu gerçekten görebiliyoruz.
Derleyen: Feyza ÇETİNKOL
Kaynak: Bilim İnsanları İlk Kez Mutlak Sıfırda Hareket Eden Molekülleri Yakaladı
Gençlerin Kanındaki Moleküllerin Ciltteki Yaşlanmayı Tersine Çevirdiği Gösterildi