În Departamentul de Fizică Moleculară și Biomoleculară al Institutului Național de Cercetare-Dezvoltare Tehnologii Izotopice și Moleculare (INCDTIM) Cluj-Napoca a fost instalat recent un sistem laser în care se emit pulsuri ultrascurte pentru studii de dinamică moleculară. În cuvinte simple, haideți să vedem ce este dinamica moleculară și la ce folosește.
Așa cum este important să știm cum va reacționa o clădire la un seism, dacă se va dărâma sau doar se va crăpa, la fel de important este să știm reacția și soarta moleculei sau a sistemului microscopic după ce a fost excitat din exterior, o excitare pe care o putem vedea ca un bobârnac dat moleculei, de exemplu de absorbția unui foton de lumina.
Dacă reacția clădirii în timpul și după trecerea seismului are loc într-un interval de timp de minute sau ore, timp în care o putem „filma” și obținem fotografii (cadre) succesive în timp, reacția unei molecule are loc pe o scară de timp mult mai mică. Cum putem „filma” o asemenea reacție?
Fără îndoială că avem nevoie de un aparat capabil să fotografieze cadre succesive la intervale de timp mai scurte decât timpul de reacție a moleculei. Acest lucru a devenit posibil odată cu apariția laserilor în impulsuri ultrascurte, de ordinul femtosecundelor. Cât de scurte sunt aceste femtosecunde?
Într-o secundă sunt 1.000.000.000.000.000 femtosecunde (sunt 15 zerouri, nu le mai numărați). Spus așa, nu avem o imagine despre cât de scurtă este o femtosecundă, dar dacă realizăm că o femtosecundă raportată la o secundă este ca o oră raportată la vârsta Universului, ne dăm seama care este scara de timp la care au loc fenomenele în microcosmos.
Laserul de la INCDTIM furnizează pulsuri având durata de 180 femtosecunde și lungimea de undă de circa 1 micron. Rar este folosită ca atare, de cele mai multe ori, din aceste pulsuri obținem altele de lungimea de undă dorită, prin procese neliniare ce au loc în cristale de diverse tipuri. Astfel, avem posibilitatea să obținem pulsuri între 0.25 și 2.6 microni, pe care le folosim pentru excitarea probelor, adică pentru a da moleculelor acel bobârnac inițial.
Pulsul care „fotografiază” molecula, obținut tot din sursa laser principală, este un puls de lumină albă care trece prin probă după pulsul excitator la un interval de timp controlabil. Pentru fiecare puls de lumină albă absorbit de către molecule se obține un spectru de absorbție al moleculelor în starea excitată, la momentul de timp la care pulsul de lumină albă ajunge la ele. Punând cap la cap toate spectrele de absorbție obținute, va rezulta o imagine a modului în care moleculele excitate evoluează în timp.
Moleculele pot reveni de pe starea excitată pe starea inițială și prin emisie de lumină, adică prin fluorescență, care poate fi măsurată la rândul ei tot ca o funcție de timpul scurs de la excitare. Și în acest caz măsurăm spectre, dar nu de absorbție ci de emisie, pe care o măsurăm cu un detector special care își deschide poarta pentru fotonii emiși de probă la un interval de timp foarte bine definit. Cele două metode sunt implementate în laboratorul nostru și sunt folosite alternativ în funcție de sistemul studiat.
Înțelegerea reacțiilor fotofizice și fotochimice în timp real a fost limitată până când au apărut laserii în pulsuri ultrascurte, care au permis deschiderea unui nou domeniu de cercetare. Spectroscopia de absorbție rezolvată în timp permite măsurarea proceselor fotoinduse ultra-rapide, oferind informații despre dinamica și natura reacțiilor elementare care controlează procesele macroscopice ale fotosistemelor.
De exemplu, putem identifica în ce stare excitată a trecut molecula, dacă formează produși de reacție, care este dinamica relaxării, precum și influența mediului înconjurător la scară nanometrică. Astfel, este posibilă investigarea dinamicii sistemelor biologice în timp real, procesele fotosintetice sau formarea de specii chimice noi, transferul de energie între molecule sau dinamica electronilor în diferite sisteme.
O recunoaștere evidentă a importanței domeniului a venit în 1999 prin acordarea premiului Nobel pentru chimie americanului de origine egipteană Ahmed H. Zewail, pentru studiul stărilor de tranziție în reacțiile fotochimice folosind spectroscopia de femtosecunde.
Câmpul laser oscilant al pulsului inițial accelerează o parte din electronii liberi de pe suprafața nanoparticulelor și le transmite o energie cinetică suplimentară. Cel mai rapid fenomen detectabil (pe care l-am estimat a fi de 600 femtosecunde) este uniformizarea energiei cinetice a electronilor, prin interacția dintre ei, apoi transferul energiei electronice suplimentare (într-un timp de circa 1000 femtosecunde) atomilor de aur din nanoparticulă. În sfârșit, cel mai „lent” fenomen este răcirea nanoparticulei prin transfer de căldură către mediul înconjurător, iar acesta durează 300-400 de picosecunde.
Tehnologia de procesare a materialelor cu pulsuri laser de durate de zeci sau sute de femtosecunde a atras un interes extraordinar în comunitățile științifice și tehnologice. Aceste pulsuri scurte au marele avantaj că maximizează efectul de interacție al materiei cu câmpul electric al pulsului și minimizează efectul termic de încălzire a probei care este mai lent și apare la pulsurile mai lungi. Astfel laserul poate tăia, găuri, freza, suda etc., dar poate și induce reacții chimice complexe în urma cărora se generează structuri de dimensiuni microscopice, chiar nanoscopice.
Spre deosebire de litografia prin alte metode, care folosesc surse costisitoare de iradiere și condiții de lucru speciale, utilizarea laserilor de putere mică reprezintă o soluție fără riscuri majore și în același timp cu costuri foarte mici. Rezultatele obținute recomandă fără echivoc utilizarea acestei metode pentru cercetarea-dezvoltarea de materiale și sisteme noi care vor putea realiza nanocomponente la temperatura camerei și presiune atmosferică. Scopul practic al acestor cercetări este realizarea primelor componente metalice necesare construirii unor prototipuri la scara nanometrică cu aplicații imediate și de mare impact în nanotehnologii.
