Kaip pirmasis molekulių fotografas Ahmed Zewail sukėlė tikrą mokslo proveržį ir pelnė Nobelio premiją

Žymiai koherentiškiau juda karių rankos tvarkingoje rikiuotės eisenoje arba žmonių galvos roko koncerte. Jeigu kažkokiu būdu sugebėtumėme įvertinti koherentiškumą, registruodami minios rankų judesio vidurkį, pirmuoju gautumėme nulį – skirtingi svyravimai susividurkintų. Na, o tvarkingos rikiuotės atveju toks įvertis turėtų prasmę.

Remiantis šia minios analogiją, įprastos būsenos molekulės yra kaip žmonės gatvėje, bet ne koncerte. Juolab, molekulės yra sudėtingi dariniai – net pačios primityviausios jų turi bent keletą galimų laisvės laipsnių dėl cheminių jungčių svyravimo ir sukimosi.

Ahmed Zewail vizija buvo pamėginti priversti netvarkingas molekulių sistemas elgtis tvarkingiau, t. y., koherentiškiau. Tam reikėjo atlikti žadinimo ir zondavimo eksperimentą su dviem trumpais lazerio impulsais. Pirmuoju impulsu molekulėms būtų įjungiama muzika – jos būtų koherentiškai sužadinamos, o antruoju, kiek vėlesniu, molekulės dar kartą būtų sutrikdomos tam, kad jų būsena galėtų būti pamatuota (atliekamas zondavimas).

Nepaisant skeptiškai nusiteikusių kolegų, Ahmed Zewail pavyko užfiksuoti koherentiškų molekulių signalą, kuris buvo periodiškai svyruojantis vėlinimo tarp dviejų lazerio impulsų atžvilgiu. Tas svyravimo dažnis atitiko molekulių svyravimų ir sukimosi savybes bei rodė, kad molekulių virpesiai buvo koherentiški! Kadangi molekulių virpesius lemia molekulių struktūra, remiantis ši nauja technika, buvo galima nustatyti virš 100 molekulių struktūros savybių.

Sėkmingi molekulių koherentiškumų tyrimai vedė prie dar sudėtingesnių uždavinių. Jeigu naudojant lazerius pavyksta nustatyti virpesius, gal pavyktų nufotografuoti ir chemines reakcijas? Nors idėja, kaip tai padaryti, buvo daugmaž aiški, jos išpildymui trukdė maža laikinė skyra.

Kokia turėtų būti tinkama laikinė skyra, arba kitais žodžiais, kokia turi būti molekulių fotoaparato greitaveika, atsakysime, panagrinėję Muybridge arklio fotografijas. Šiuo atveju laikinė skyra yra fotoaparato sklendės atidarymo trukmė, arba išlaikymas. Tam, kad arklio kontūrai būtų gerai matomi, nuotraukoje jie gali būti išplaukę, tarkim, 1 cm. Kad būtų pasiekta tokia raiška 10 m/s greičiu bėgančio arklio nuotraukoje, fotoaparato išlaikymas turi būti didesnis nei (0,01 m)/(10 m/s)=0,001 s, arba 1 milisekundė.

Lygiai taip pat galima suskaičiuoti, kokie turėtų būti molekulių fotoaparato parametrai. Atstumai tarp molekulių yra keli nanometrai, tad apytiksliam vaizdui susidaryti molekulės nuotraukoje kontūrai turėtų būti išplaukę ne daugiau nei 0,01 nm, milijardą kartų mažiau nei Muybridge fotografijose. Cheminėse reakcijose atomai juda maždaug 1 km/s greičiu, tad molekulių fotoaparato išlaikymas turėtų būti (10⁻¹¹ m)/(1 000 m/s)=10⁻¹⁴ s.

Taigi, molekulių fotoaparato išlaikymas, t. y., lazeriu sukurto šviesos impulso trukmė, turi būti bent 10 femtosekundžių. Tokį lazerį Ahmed Zewail laboratorijai pavyko gauti.

Pirmoji tirta molekulė buvo sudaryta iš jodo (I), anglies (C) ir azoto (N) atomų. Ši molekulė skyla į jodo katijoną I⁺ bei ciano anijoną CN⁻. Kadangi CN⁻ jonas sugeria visai kito dažnio spinduliuotę, nei ICN molekulė, žadinimo-zondavimo eksperimentais buvo galima stebėti jungties nutrūkimą.

Kaip Muybridge iš fotografijų nustatė, kad visos arklio kojos pakimba virš žemės praėjus 0,04 sekundės po atsispyrimo ir dar beveik 0,1 sekundės išlieka ore, taip Zewail parodė, kad ICN molekulė subyra į I ir CN jonus per 200 femtosekundžių.

Molekulių ir jų cheminių reakcijų fotografavimas femtosekundiniais lazeriais buvo didingas atradimas, vertas atskiros mokslo šakos. Kaip vėliau pažymėjo Nobelio premijos komitetas, „Dabar mes galime matyti pavienių atomų judesius ir juos įsivaizduoti. Atomai nebėra nematomi”. Ahmed Zewail kartu su kolegomis sugalvojo šiai mokslo šakai „femtochemijos” pavadinimą. Jis kartu žymi ir laiko skalę (femtosekundė), ir vyksmus (chemines reakcijas).

Nobelio premija

Ahmed Zewail skambučio iš Švedijos Mokslo Akademijos sulaukė 1999 m. spalio 12 d., 5:30 ryto. Pokalbio metu Nobelio premijos komiteto nariai informavo apie premijos paskyrimą bei tai, kad „po 20 minučių mes tai paskelbsime pasauliui – tai bus paskutinės 20 minučių ramybės jūsų gyvenime”. Laureatas vėliau pripažino, kad jie buvo visiškai teisūs.

Gyvenimas pasikeitė: dienotvarkėje atsirado susitikimų su prezidentais, visuomeninės veiklos, padažnėjo kelionės į Egiptą. Ten Zewail įkūrė universitetą, naudodamasis savo įtaka, ragino valdžią kurti pavyzdinius mokslo centrus, gerinti švietimą.

Egipte jo vardu buvo pavadintos gatvės, išleistas pašto ženklas. Toks dėmesys laureatą džiugino, nes jis visada norėjo matyti Egiptą kaip valstybę, kurios kultūroje, kaip prieš tūkstančius metų, svarbiausią vietą užimtų mokslas ir švietimas. Švietimą Nobelio premijos laureatas matė kaip didžiausią saugiklį nuo konfliktų.

Gavęs Nobelio premiją, Ahmed Zewail išliko aktyvus mokslininkas. Molekulių fotografija jo nebetenkino – naujas siekis buvo molekulių chemines reakcijas nufilmuoti (apie tai technologijos.lt jau rašė). Zewail sugalvota „keturmatės mikroskopijos” technologija, paremta elektronų difrakcija, tikėtina, irgi bus kažkada įvertinta Nobelio premija.

Ahmed Zewail grįžo gyventi į Egiptą 2011 m. vykstant revoliucijai ir tapo įtakingu politiniu veikėju. Pasaulio mokslas neteko Ahmed Zewail 2016 metų rugpjūčio 2 d.

Dr. Vytautas Butkus