Tokios molekulės pavydėtų pats Žiedų valdovas: Lietuvos ir užsienio fizikai sulaukė išskirtinio mokslinio žurnalo dėmesio

Šios skilties tikslas – kiekviename žurnalo numeryje populiaria kalba trumpai pristatyti pačius svarbiausius iš naujausių tyrimų bei populiarinti chemijos ir fizikos mokslus.

Teorinės fizikos katedros darbuotojai Vytautas Butkus, Leonas Valkūnas ir Darius Abramavičius su kolegomis iš Lundo universiteto Švedijoje bei Oksfordo universiteto Jungtinėje Karalystėje tyrė milžiniško dydžio žiedo formos molekulių komplekso sąveiką su matoma šviesa bei parodė, kaip naudojant dvimatės spektroskopijos metodą, galima nustatyti įvairių molekulės būsenų prigimtį.

Šis Oksfordo universiteto laboratorijose sukurtas molekulių darinys yra sudarytas iš šešių ratu išsidėsčiusių mažesnių porfirino molekulių, kurias tarpusavyje sieja cheminės jungtys.

Rato viduryje esantis heksapiridilo molekulių rėmelis užtikrina viso komplekso mechaninį stabilumą, dėl ko visas darinys yra beveik idealiai simetriškos apskritimo formos bei primena Saurono Didįjį Žiedą.

Fizikai žino, kad kuo simetriškesnis darinys, tuo paprastesnės jo šviesos sugerties savybės ir tuo didesnis jo praktinio panaudojimo potencialas.

Pavyzdžiui, didžioji dauguma elektronikos komponentų veikia dėl simetriškų silicio kristalų. Ratu išsidėsčiusių, bet chemiškai nesąveikaujančių molekulių šviesos sugerties spektre bus tik viena ryški smailė, nepaisant koks bebūtų kompleksą sudarančių molekulių skaičius.

Kitaip tariant, daug molekulių susitars ir kolektyviai sugers tik vieną spalvą, nors energijos būsenų, galinčių lemti įvairių spalvų sugertį, bus daug. Tiesiog visų, išskyrus vieną, spalvų sugertis bus fiziškai neįmanoma („uždrausti elektroniniai šuoliai“, sako fizikai) dėl simetrijos.

Eksperimentuose, atliktuose Lundo universitete, buvo gautas visiškai priešingas vaizdas – molekulių žiedas sugėrė daug daugiau spalvų, nei buvo galima tikėtis. Sugerties spektre dominavo bent 6 ryškios smailės, o atidžiau panagrinėjus jų buvo iš viso suskaičiuota net 10.

Į natūralų klausimą „kodėl?“ atsakė Vilniuje atlikti teoriniai skaičiavimai. Buvo įrodyta, jog žiedo savybes nuspendžia molekulių virpesiai, stipriai sąveikaujantys su... neuždraustais elektroniniais šuoliais

Bet... juk jau išsiaiškinome, kad simetriškose molekulių sistemose visi šuoliai, išskyrus vieną, bus uždrausti!

Ko sena teorija negalėjo paaiškinti, buvo išspręsta naujos, šiai įspūdingai molekulei Vilniaus universitete sukurtos, sudėtingos teorijos rėmuose. Skaičiavimai parodė, kad nepaisant savo milžiniško dydžio, molekulių žiedas dėl cheminių jungčių savybių yra labiau „supermolekulė“ nei atskirų porfirino molekulių rinkinys, kas ir lemia jo spektro unikalias savybes.

Naudojant atitinkamus modelius buvo paaiškintas dvimatės spektroskopijos smailių išsidėtymo paveikslas bei nustatyta, kokie yra tarpusavio sąveikos tarp elektroninių ar virpesinių būsenų bei mišrios sąveikos tarp elektroninių ir virpesinių būsenų požymiai bei kaip šias būsenų rūšis galima askirti.

Žurnalo The Journal of Physical Chemistry Letters redaktorius savo vedamajame pažymėjo ir kitą svarbų šio tyrimo rezultatų aspektą.

Pastarąjį dešimtmetį cheminės fizikos moksle vyrauja intensyvios diskusijos dėl kvantinių koherentiškumų prigimties įvairiuose eksperimentuose, tarp jų ir dvimatėje elektroninėje spektroskopijoje.

Yra prielaidų, kad kvantiniai koherentiškumai spartina energijos pernašą molekulėse bei taip užtikrina itin aukštą energijos surinkimo efektyvumą, kuris pasireiškia gamtoje augalams ir bakterijoms vykdant fotosintezę.

Visgi šios prielaidos iki šiol išlieka ganėtinai kontraversiškos, nes užregistruoti bei paaiškinti šių koherentiškumų prigimtį vis dar išlieka itin sudėtinga.

Šios diskusijos fone Vilniaus universiteto mokslininkų ir kolegų tyrimas iškilo kaip svarbus pavyzdys, rodantis, kaip galima nustatyti sudėtingų molekulių sistemų savybes.