newmosul
Active Member
التحكم الليزري في التفاعلات الكيميائية( مقدمة عن الفيمتو والنانو ثانية) من المجلة الامريكية للعلوم
على الرغم من أن علم الكيمياء حقق تقدما ملحوظا في القرن الماضي، فإن المباديء الأساسية لتطبيقاته الصناعية المختلفة، لم تتبدل بشكل أساسي، ولم يلحق بها أي تغيُّر جذري. فالطرائق والوسائل المتبعة في تحطيم الروابط الكيميائية وفي إعادة تشكيلها، مازالت تعتمد بشدة على تغيير درجة حرارة التفاعل وضغطه وعلى إضافة مادة وسيطة إليه. وغالبا ما تكون هذه المقاربة غير فعّالة أو مجدية، لأنها لا تأخذ في الاعتبار فهمنا لحركة الجزيئات، ولذلك غالبا ما تكون معظم التفاعلات الكيميائية الشاملة غير فعالة، إذ تعطي مقادير كبيرة من نواتج ثانوية غير مرغوب فيها ولا جدوى منها، إلى جانب المواد الكيميائية المرغوبة.
وقد ابتكر الباحثون حديثا تقانات جديدة تعتمد على توجيه أشعة ليزرية نحو المركبات الكيميائية المتفاعلة، وتتحكم بالتالي، على نحو فعال، في المسارات التي تأخذها التفاعلات. وتبدو هذه التقانات واعدة، إذ تتيح التحكم في نواتج التفاعلات من خلال تحديد طرق مختارة لها؛ بالاستفادة من خاصية أساسية في الميكانيك الكمومي هي الصفات الموجية لكل من الضوء والمادة. وتظهر آخر الحسابات أن التقانات الليزرية يمكن أن تكون فعالة إلى مدى بعيد في توجيه تفاعل ما نحو مسار مفضل.
وليست فكرة استخدام الليزر لتوجيه التفاعلات الكيميائية أمرا جديدا؛ فقد بدأت أولى المحاولات لتحقيق ذلك بعد وقت قصير من اختراع أول ليزر منذ نحو 35 عاما، حيث كانت الأجهزة المستخدمة تبث إشعاعا ذا تواتر محدد، أو ذا لون معين، قادرا بالتالي على منح مقدار محدد تماما من الطاقة إلى هدف بعينه. وقد شُبّهت الروابط الكيميائية بنوابض منعزلة ذات قوى مختلفة، يهتز كل واحد منها عندما يُعطى مقدارا محددا من الطاقة، وكان يؤمل أن يواءَمَ الشعاع الليزري للتوجه نحو رابطة بعينها، فيضعفها، أو يحطمها، مما يتيح تشكل منتج محدد عوضا عن آخر.
لكن هذه المقاربة، التي عُرفت باسم «كيمياء الطريقة الانتقائية»، لم تلق إلا نجاحا محدودا، وكان الفشل حليفها مع معظم الجزيئات، لأنها كانت تفترض استقلال الروابط الكيميائية بعضها عن بعض، إلى حد كبير
ولا يتحقق هذا الافتراض، عمليا، إلا في قلة قليلة من الجزيئات، في حين تكون الروابط في معظمها متعلق بعضها ببعضها الآخر إلى حد بعيد، فتنساب الطاقة التي يقدمها الشعاع الليزري من رابطة فيها إلى الروابط الأخرى، وتتوزع فيما بينها في سائر أنحاء الجزيء على نحو شبيه بما يجري في حالة استخدام المنابع الضوئية التقليدية الأقل كلفة بكثير.
أما المقاربة الأخيرة، المعروفة باسم «التحكم المترابط»، فقد نمت وتطورت إثر البحوث التي بدأت في منتصف الثمانينات، عندما أخذ الباحثون يتطلعون إلى خصائص الضوء الليزري التي لم تؤخذ في الاعتبار وبقيت مغفلة في المقاربات السابقة للتحكم الكيميائي. وإحدى هذه الخصائص هي ترابط(1) الضوء الليزري. ترتبط هذه الكلمة بالطريقة التي تُصْدِر بها الجزيئات الضوء. ففي مصابيح الضوء التقليدية، مثل مصابيح الإنارة المنزلية، تُسخِّن الكهرباء سلك التنغستين، فتشعع ذراته، التي لا تلبث أن تفقد تلقائيا بعضا من طاقتها من خلال إصدارها مقدارا ضئيلا من الضوء. تبث كل واحدة من هذه الذرات ضوءها على نحو مستقل عما تفعله الذرات الأخرى، وبذلك يتشكل الضوء الناتج من السلك من خليط غير منتظم من الأمواج التي تُصْدرها الذرات المنفردة. يمكن تشبيه الضوء الصادر عن هذه المصابيح العادية برتل من الجنود يسيرون على هواهم، أي بخطى غير موزونة. ويصف الفيزيائيون هذا الضوء بأنه «غير مترابط» أو بأنه «ليس على طور». وبخلاف ذلك فإن الذرات في الضوء الليزري تعمل معا، فتتناغم بصورة مثالية كل الأمواج التي تشكل الحزمة الليزرية، وتسلك كرتل من الجنود، يسيرون بخطى موزونة.
يبدي الضوء المترابط خاصية مهمة، هي خاصية التداخل البنّاء والهدّام. ولا تعني كلمة التداخل بالضرورة أن تعكر مساراتُ بعض الأمواج مساراتِ بعضها الآخر، بل تدل على الطريقة التي تأتلف أو تنضم فيها الأمواج فيما بينها، بما في ذلك الأمواج على سطح الماء. ففي التداخل البناء تلتقي ذرا (أوبطون) موجتين (أو أكثر) على نحو تضاف فيه ارتفاعات الذرا وأعماق البطون بعضها إلى بعض، فتصير الموجة بذلك أعلى وأعمق (أو نقول بتعبير آخر إن سعة الموجة قد ازدادت). أما في التداخل الهدام فتأتلف الذرا مع البطون، وتضعف الموجة وتخبو.
كن للحزم الليزرية المصوبة نحو وعاء مليء بجزيئاتصوديوم ثنائية الذرة، أن تتحكم في تحطيم هذه الجزيئات، حيث توجَّه نحوها حزمتان لكلمنهما تواتر مختلف عن تواتر الأخرى (تبدو إحداهما باللون الأصفر والأخرى بالأحمر)،فتضعانها في حالات كمومية مختلفة تتداخل إحداها مع الأخرى، وتحطم بالتالي كل جزيءإلى ذرتين تكون إحداهما في حالتها الاعتيادية في حين تكون الأخرى في واحدة من عدةحالات مثارة ممكنة. يتم التحكم في الحالة المتشكلة من خلال تحديد درجةالتداخل.
يتبع قريبا
المصدر مجلة العلوم الامريكية العدد 12 السنة 1995
المرفقات:النسخة الاصلية من العدد الذي يحوي على هذه المقالة باللغة الانكليزية
http://file14.9q9q.net/Download/77126663/entific-American---1995---03.pdf.html
التحكم الليزري في التفاعلات الكيميائية
ملاحظة/مرفق النسخة الاصلية من العدد الذي يحوي على هذه المقالة باللغة الانكليزية
سعى الكيميائيون طوال سنين لإيجاد وسيلة للتحكم في التفاعلات الكيميائية من خلال
استخدام تقانات ليزرية، وكان الفشل حليفهم في معظم محاولاتهم. غير أن ملامح النجاح
بدأت تلوح في الأفق أخيرا من خلال الاستفادة من التأثيرات الكمومية الدقيقةfgg
الناتجة من تفاعل الضوء والمادة.
<P. برومر> ـ <M.شاپيرو>
ملاحظة/مرفق النسخة الاصلية من العدد الذي يحوي على هذه المقالة باللغة الانكليزية
سعى الكيميائيون طوال سنين لإيجاد وسيلة للتحكم في التفاعلات الكيميائية من خلال
استخدام تقانات ليزرية، وكان الفشل حليفهم في معظم محاولاتهم. غير أن ملامح النجاح
بدأت تلوح في الأفق أخيرا من خلال الاستفادة من التأثيرات الكمومية الدقيقةfgg
الناتجة من تفاعل الضوء والمادة.
<P. برومر> ـ <M.شاپيرو>
على الرغم من أن علم الكيمياء حقق تقدما ملحوظا في القرن الماضي، فإن المباديء الأساسية لتطبيقاته الصناعية المختلفة، لم تتبدل بشكل أساسي، ولم يلحق بها أي تغيُّر جذري. فالطرائق والوسائل المتبعة في تحطيم الروابط الكيميائية وفي إعادة تشكيلها، مازالت تعتمد بشدة على تغيير درجة حرارة التفاعل وضغطه وعلى إضافة مادة وسيطة إليه. وغالبا ما تكون هذه المقاربة غير فعّالة أو مجدية، لأنها لا تأخذ في الاعتبار فهمنا لحركة الجزيئات، ولذلك غالبا ما تكون معظم التفاعلات الكيميائية الشاملة غير فعالة، إذ تعطي مقادير كبيرة من نواتج ثانوية غير مرغوب فيها ولا جدوى منها، إلى جانب المواد الكيميائية المرغوبة.
وقد ابتكر الباحثون حديثا تقانات جديدة تعتمد على توجيه أشعة ليزرية نحو المركبات الكيميائية المتفاعلة، وتتحكم بالتالي، على نحو فعال، في المسارات التي تأخذها التفاعلات. وتبدو هذه التقانات واعدة، إذ تتيح التحكم في نواتج التفاعلات من خلال تحديد طرق مختارة لها؛ بالاستفادة من خاصية أساسية في الميكانيك الكمومي هي الصفات الموجية لكل من الضوء والمادة. وتظهر آخر الحسابات أن التقانات الليزرية يمكن أن تكون فعالة إلى مدى بعيد في توجيه تفاعل ما نحو مسار مفضل.
وليست فكرة استخدام الليزر لتوجيه التفاعلات الكيميائية أمرا جديدا؛ فقد بدأت أولى المحاولات لتحقيق ذلك بعد وقت قصير من اختراع أول ليزر منذ نحو 35 عاما، حيث كانت الأجهزة المستخدمة تبث إشعاعا ذا تواتر محدد، أو ذا لون معين، قادرا بالتالي على منح مقدار محدد تماما من الطاقة إلى هدف بعينه. وقد شُبّهت الروابط الكيميائية بنوابض منعزلة ذات قوى مختلفة، يهتز كل واحد منها عندما يُعطى مقدارا محددا من الطاقة، وكان يؤمل أن يواءَمَ الشعاع الليزري للتوجه نحو رابطة بعينها، فيضعفها، أو يحطمها، مما يتيح تشكل منتج محدد عوضا عن آخر.
لكن هذه المقاربة، التي عُرفت باسم «كيمياء الطريقة الانتقائية»، لم تلق إلا نجاحا محدودا، وكان الفشل حليفها مع معظم الجزيئات، لأنها كانت تفترض استقلال الروابط الكيميائية بعضها عن بعض، إلى حد كبير
ولا يتحقق هذا الافتراض، عمليا، إلا في قلة قليلة من الجزيئات، في حين تكون الروابط في معظمها متعلق بعضها ببعضها الآخر إلى حد بعيد، فتنساب الطاقة التي يقدمها الشعاع الليزري من رابطة فيها إلى الروابط الأخرى، وتتوزع فيما بينها في سائر أنحاء الجزيء على نحو شبيه بما يجري في حالة استخدام المنابع الضوئية التقليدية الأقل كلفة بكثير.
أما المقاربة الأخيرة، المعروفة باسم «التحكم المترابط»، فقد نمت وتطورت إثر البحوث التي بدأت في منتصف الثمانينات، عندما أخذ الباحثون يتطلعون إلى خصائص الضوء الليزري التي لم تؤخذ في الاعتبار وبقيت مغفلة في المقاربات السابقة للتحكم الكيميائي. وإحدى هذه الخصائص هي ترابط(1) الضوء الليزري. ترتبط هذه الكلمة بالطريقة التي تُصْدِر بها الجزيئات الضوء. ففي مصابيح الضوء التقليدية، مثل مصابيح الإنارة المنزلية، تُسخِّن الكهرباء سلك التنغستين، فتشعع ذراته، التي لا تلبث أن تفقد تلقائيا بعضا من طاقتها من خلال إصدارها مقدارا ضئيلا من الضوء. تبث كل واحدة من هذه الذرات ضوءها على نحو مستقل عما تفعله الذرات الأخرى، وبذلك يتشكل الضوء الناتج من السلك من خليط غير منتظم من الأمواج التي تُصْدرها الذرات المنفردة. يمكن تشبيه الضوء الصادر عن هذه المصابيح العادية برتل من الجنود يسيرون على هواهم، أي بخطى غير موزونة. ويصف الفيزيائيون هذا الضوء بأنه «غير مترابط» أو بأنه «ليس على طور». وبخلاف ذلك فإن الذرات في الضوء الليزري تعمل معا، فتتناغم بصورة مثالية كل الأمواج التي تشكل الحزمة الليزرية، وتسلك كرتل من الجنود، يسيرون بخطى موزونة.
يبدي الضوء المترابط خاصية مهمة، هي خاصية التداخل البنّاء والهدّام. ولا تعني كلمة التداخل بالضرورة أن تعكر مساراتُ بعض الأمواج مساراتِ بعضها الآخر، بل تدل على الطريقة التي تأتلف أو تنضم فيها الأمواج فيما بينها، بما في ذلك الأمواج على سطح الماء. ففي التداخل البناء تلتقي ذرا (أوبطون) موجتين (أو أكثر) على نحو تضاف فيه ارتفاعات الذرا وأعماق البطون بعضها إلى بعض، فتصير الموجة بذلك أعلى وأعمق (أو نقول بتعبير آخر إن سعة الموجة قد ازدادت). أما في التداخل الهدام فتأتلف الذرا مع البطون، وتضعف الموجة وتخبو.
كن للحزم الليزرية المصوبة نحو وعاء مليء بجزيئاتصوديوم ثنائية الذرة، أن تتحكم في تحطيم هذه الجزيئات، حيث توجَّه نحوها حزمتان لكلمنهما تواتر مختلف عن تواتر الأخرى (تبدو إحداهما باللون الأصفر والأخرى بالأحمر)،فتضعانها في حالات كمومية مختلفة تتداخل إحداها مع الأخرى، وتحطم بالتالي كل جزيءإلى ذرتين تكون إحداهما في حالتها الاعتيادية في حين تكون الأخرى في واحدة من عدةحالات مثارة ممكنة. يتم التحكم في الحالة المتشكلة من خلال تحديد درجةالتداخل.
يتبع قريبا
المصدر مجلة العلوم الامريكية العدد 12 السنة 1995
المرفقات:النسخة الاصلية من العدد الذي يحوي على هذه المقالة باللغة الانكليزية
http://file14.9q9q.net/Download/77126663/entific-American---1995---03.pdf.html
