Mokslo ir technologijų pasaulis

Senovės Egipto civilizacijos laikais buvo iškeltas klausimas, ar gali būti, kad arkliui bėgant ristele, jo visos kojos kuriuo nors momentu būna pakibusios ore ir neliečia žemės. Žmogaus akis negeba to nustatyti, kad ir kaip atidžiai stebėtų. Šį klausimą tik 1878 metais išsprendė fotografas Eadweard Muybridge. Pasinaudojęs pažangiausia to meto fotografija, jis nuotraukoje užfiksavo momentą, kada bėgantis arklys neliečia žemės.

Po daugiau nei 100 metų iš Egipto kilęs mokslininkas Ahmed Zewail iš principo pakartojo tą patį. Tik nufotografavo ne arklį, kurio vienas žingsnis trunka maždaug pusę sekundės, o 10 milijardų kartų spartesnę molekulių cheminę reakciją. Toks proveržis lėmė daugybę mokslo atradimų, mokslo šakos – femtochemijos – pradžią, naujų teorijų suvešėjimą, o autoriui – pripažinimą, Nobelio premiją ir žymiausio arabų pasaulio mokslininko vardą.

Ahmed Zewail gyvenimas liudija ne tik modernaus ultrasparčiosios molekulių spektroskopijos mokslo kūrimą ir vystymąsi, bet ir yra įkvepianti istorija, kaip Egipto provincijoje gimęs berniukas tapo vienu gerbiamiausių pasaulio mokslininkų, patarinėjusių prezidentams mokslo ir technologijų klausimais.

Egiptas

Ahmed Hassan Zewail gimė 1946 m. Egipte, augo Tauragės dydžio Desouk miestelyje. Kaip įprasta islamo pasaulyje, su mokslu susipažino mečetėje – ne tik maldos, bet ir vaikų ugdymo namuose. Jaunasis Ahmed buvo puikus mokinys, svajojęs apie studijas universitete. Ir jei ne 1952 m. politinis Egipto perversmas, to nebūtų įvykę: pagal iki tol galiojusią santvarką, į universitetą galėjo patekti tik įtakingų šeimų vaikai.

Ahmed studijavo Aleksandrijos universitete. Mieste, kuris prieš mūsų erą buvo vienas iš didžiųjų mokslo centrų su žymiąja Aleksandrijos biblioteka. Aleksandrijoje dirbo Euklidas, Eratostenas, Archimedas ir dauguma kitų žymiausių to meto mąstytojų. Tačiau XX a. viduryje studijų sąlygos Aleksandrijoje buvo ekstremalios: šalyje vyko karas, universitetas turėjo laikinai nutraukti veiklą, daug jaunų žmonių emigravo.

Ahmed buvo išskirtinis studentas: vienas iš 7, kurie po bakalauro studijų tapo mu’id, – dėstymo ir mokslo asistentais. Šis garbingas vardas reiškė, kad tapęs mokslų daktaru, galėjo būti pakviestas užimti universiteto profesoriaus pareigas. Visgi jis nusprendė siekti išvykti studijuoti į JAV.

Pensilvanijos universitetas Filadelfijoje pakvietė Ahmed studijuoti doktorantūroje su universiteto stipendija. Ši žinia jį pasiekė pusmetį prieš būsimų studijų pradžią. Per tą laiką liko tik įgyvendinti kelis formalumus: a) susitvarkyti dokumentus, b) susirasti žmoną.

Pasirodo, antrasis formalumas buvo lengviau įgyvendinamas. Egipte mokslininkui buvo įprasta anksti vesti ir vėliau pasiimti su savimi žmoną, kad ir kur beišvyktų dirbti. Kadangi Ahmed vyko į JAV, jis buvo labai perspektyvus jaunikis. Užteko vieno pokalbio su tinkamos žmonos – itin rimtos fizikos ir chemijos studentės – tėvu ir santuoka buvo palaiminta. Vestuvės įvyko, likus kelioms dienoms iki jaunųjų šeimos išvykimo į JAV.

Į Egiptą Ahmed Zewail grįžo tik po 11 metų, tačiau gimtinė jam buvo visada labai svarbi. Jis aukštino senovės Egipto kultūrą ir mokslą. Pasvarstydavo, kad nors esąs vienintelis Egipto mokslininkas, gavęs fizikos, chemijos ar medicinos Nobelio premiją, tokių egiptiečių būtų daug daugiau, jei premija būtų teikta prieš kelis tūkstančius metų, senovės Egipto civilizacijos laikais. Tada tai buvo Pasaulio mokslo lopšys, turėjęs pažangiausią kalendorių, žymiausius mokslininkus ir geriausią švietimo sistemą.

Karjera JAV

Amerikoje Ahmed Zewail pasitiko moksliniai ir kultūriniai barjerai. Nors jis ir buvo išskirtinis studentas Egipte, mokslo lygių skirtumas su JAV buvo žymus. Jaunam mokslininkui trūko žinių apie moderniąją chemiją ir kvantinę mechaniką bei pažangesnės eksperimentų įrangos naudojimo praktikos.

Kultūrine prasme šokiravo amerikietiškas laisvumas, suplėšyti džinsai ar betarpiškas bendravimas su profesoriais. Įpročius, kad į laboratoriją būtina ateiti su kostiumu, o laboratorijos įrangą ir bandinius privaloma užrakinti tam, kad jų nepavogtų, Amerika greitai pakeitė.

Doktorantūros studijų metu Ahmed Zewail tyrinėjo eksitonus. Eksitonai – tai kvazidalelės, susidarančios apšvietus molekules. Ahmed aiškinosi, kaip jos juda kristaluose ir kas nutinka, jei jos atsiduria gaudyklėse – pavienėse molekulėse.

Apgynęs daktaro laipsnį Pensilvanijos universitete, Ahmed Zewail – tuo metu jau tėvas ir produktyvus mokslininkas – galėjo grįžti į Egiptą užimti profesoriaus pareigų Aleksandrijos universitete, tačiau pasirinko mažiau pompastišką dviejų metų podoktorantūros stažuotę Berklio universitete Kalifornijoje.

Ten Ahmed pradėjo vystyti molekulinių dimerų – arti vienas kito esančių molekulių porų, tarp kurių vyksta energijos mainai – teoriją. Jų tyrimams jau buvo pradėti naudoti neseniai išrasti lazeriai.

Visgi didžiausius atradimus Ahmed Zewail atliko Kalifornijos technologijos institute (Caltech) – viename iš pavyzdinių JAV mokslo centrų. Vos daugiau nei 2 000 studentų (kaip Šiaulių universitete) ir 300 darbuotojų (dvigubai mažiau, nei Šiaulių universitete) turinti institucija yra vienas turtingiausių bei daugiausiai mokslinių atradimų atliekančių institutų. Su Caltech vardu susiję 35 Nobelio premijos laureatai, žymiausi jų – kvantinės elektrodinamikos kūrėjas Richard Feynman, vienas iš lazerio išradėjų Charles Townes ir, žinoma, Ahmed Zewail.

Caltech buvo vienas iš 5 JAV universitetų, kurie pasiūlė jam terminuotą (tenure-track) poziciją, kuri jau po 3 darbo metų, vietoje įprastų 6, dėl puikių Ahmed rezultatų buvo pakeista į nuolatinę.

Tai buvo ir svarbių pokyčių asmeniniame Ahmed gyvenime laikas. Šeima augino 2 vaikus, tačiau santuoka iširo. Paradoksalu, bet skyrybas su žmona Ahmed Zewail savo autobiografijoje laiko ypatingu, galbūt net pozityviu, įvykiu. Jos paskatino Ahmed visą save dedikuoti mokslui. Įsigijęs butą visai šalia instituto, Ahmed galėjo užsiimti mokslu 24/7. Nedirbti sekmadieniais Ahmed Zewail pradėjo tik būdamas daugiau nei keturiasdešimties.

Femtochemija

Caltech universitete Ahmed Zewail gavo puikų finansavimą mokslinei įrangai bei mokslo grupės išlaikymui. Ahmed Zewail pradėjo tyrinėti molekulių sistemų koherentiškumus.

Sąvoka „koherentiškas“ apibūdina sistemos, sudarytos iš individualių posistemių, kitimą. Pavyzdžiui, gatve einančių žmonių rankų periodinius mosavimai vienas kito atžvilgiu yra atsitiktiniai – kiekvienam žmogui jie bus kitos fazės, periodo ir amplitudės. Tokia sistema nėra koherentiška. O kaipgi kitaip gali būti, jei gatvėje žmonės tarpusavyje nebendrauja ir nėra jokios išorinės komandos, reguliuojančios jų judėjimą!

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