الضوء والمادة ....والتحكم في التفاعلات الكيميائية ....

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 الدقيقة
الناتجة من تفاعل الضوء والمادة.

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 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

[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]


يمكن للحزم الليزرية المصوبة نحو وعاء مليء بجزيئات صوديوم ثنائية الذرة، أن تتحكم في تحطيم هذه الجزيئات، حيث توجَّه نحوها حزمتان لكل منهما تواتر مختلف عن تواتر الأخرى (تبدو إحداهما باللون الأصفر والأخرى بالأحمر)، فتضعانها في حالات كمومية مختلفة تتداخل إحداها مع الأخرى، وتحطم بالتالي كل جزيء إلى ذرتين تكون إحداهما في حالتها الاعتيادية في حين تكون الأخرى في واحدة من عدة حالات مثارة ممكنة. يتم التحكم في الحالة المتشكلة من خلال تحديد درجة التداخل.





تداخل الأمواج الضوئية
تبدو ظاهرة التداخل البناء والهدام مرئية للعيان إذا ما وجهنا حزمة ضوء ليزري نحو صفيحة معتمة أُحْدِث فيها شقان طوليان ضيقان، حيث يسلك كل شق سلوك منبع ضوئي، فتنبعث منه الأمواج وتنتشر خارجه. تتداخل الأمواج المنبعثة من الشقين فيما بينها، ويُرى هذا التداخل إذا ما وضعنا حاجزا وراء الشقين، حيث نلاحظ أن شكلا من شرائح منيرة ومعتمة قد ارتسم عليه. تدل المناطق المنيرة على ظاهرة التداخل البناء، في حين تدل المناطق المعتمة على ظاهرة التداخل الهدّام. تستند التقانة الأخيرة المعتمدة في مجال التحكم في الجزيئات إلى أن الضوء ليس الكيان الوحيد الذي يبدي ظاهرة التداخل. فهناك كيانات أخرى، مثل جسيمات الإلكترونات والذرات والجزيئات، تسلك سلوك الأمواج، ويمكنها بالتالي أن تتداخل فيما بينها، وذلك استنادا إلى مبدأ أساسي في الميكانيك الكمومي
وقد أثبتت التجارب وجود الأمواج المواكبة للجسيمات المادية، وبالتالي تداخل هذه الجسيمات.
[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]


ترابط الطور، ويدل على الطريقة التي تصدر بها الذرات الطاقة المشعة أو الضوء. ففي منابع الضوء التقليدية، مثل مصابيح الإنارة المنزلية، تصدر الذرات المنارة الضوء بصورة تلقائية وبحيث تبث كل ذرة ضوءها على نحو مستقل عما تفعله الذرات الأخرى، ولذلك لا تترابط الأمواج الضوئية الصادرة عن الذرات المختلفة، ويتشكل الضوء الناتج من إصدارات عشوائية غير منتظمة، كما يبدو . أما في الضوء الليزري، فتعمل الذرات كلها معا وتكون إصداراتها الضوئية على طور فيما بينها، ويكون الضوء الناتج مترابطا





ونتساءل، كيف يقدر الكيميائي أن يستفيد من ظاهرة التداخل، للتحكم في مسار تفاعلاته؟ وللإجابة عن هذا التساؤل تم تطوير عدة تقانات، يقوم أبسطها على توجيه حزمتين ليزريتين مختلفتين على الجزيئات المتفاعلة، حيث تثير كل حزمة المظهر الموجي للجزيئات على نحو خاص، وعندها يمكن لموجتي المادة أن تتداخلا فيما بينهما، بحيث يمكن لتداخلهما البناء أن يؤدي إلى تشكل منتج محدد، في حين يؤدي تداخلهما الهدام إلى غياب هذا المنتج، أو إلى تعزيز تشكل منتج آخر. ويعني هذا إمكانية التحكم في صورة التداخل، أي التحكم في نواتج التفاعل، من خلال التحكم في الترابط ما بين حزمتي الليزر، وفي خواص الشدة لهما.
وهناك تفسير آخر أكثر دقة ووضوحا ونوعية يعتمد تجريدا يعرف باسم الدالة الموجية wave function، وهي دالة يستخدمها الفيزيائيون لوصف المنظومات الذرية والجزيئية. لندخل في اعتبارنا جزيئا مشكلا من ثلاثة مكونات نرمز لها بِ: A، B و C تجمعها خطوط فيما بينها. وبسبب السلوك الموجي للجسيمات، فإن بوسع الفيزيائيين أن يصفوا الحالة الأولية لهذا الجزيء بتعبير رياضياتي هو الدالة الموجية. يتضمن هذا التعبير كل المعلومات المتاحة عن حالة الجزيء وعن حركته أو ديناميكيته: فمربعه يدل على احتمال وجود الجزيء في موقع محدد، كما أنه يفيد كأداة أو وسيلة وصفية أساسية في الميكانيك الكمومي.


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]


يحدث التفكك الكيميائي المتحكم فيه إذا ما وجهنا نحو مركب ما ـ وفي آن واحد ـ مصدرين إشعاعيين (أي نوعين من الفوتونات الليزرية)، أحدهما أكثر طاقة من الآخر. فالجزيء ABC قد يتفكك إذا ما امتص فوتونا ذا طاقة محددة، أو ثلاثة فوتونات يحمل كل منها ثلث الطاقة التي يحملها الفوتون الأول. تتداخل، فيما بينها، الدوال الموجية المرتبطة بكل واحد من نوعي فوتونات الإثارة بصورة ميكانيكية كمومية، ويمكن التحكم في مدى التداخل؛ وبالتالي في نوعية النواتج المتشكلة، بضبط السعة النسبية للموجة (أي ارتفاعها) وطور الضوء الليزري.





لنتصور الآن أن هناك إمكانيتين مختلفتين لتحطيم الروابط في الجزيء ABC: فإما أن تتحطم الرابطة بين المكونين A و B، ويتشكل زوجا المركبات A و BC، أو تتحطم الرابطة بين المكونين B و C ويتشكل زوجا المركبات AB و C؛ يلزم لتحقيق أي من هاتين الإمكانيتين تزويد الجزيء بطاقة من خلال تشعيعه بفوتون ذي تواتر خاص (أي تزويده بمقدار محدد ومعروف من الطاقة)؛ فإن كانت طاقة الفوتون عالية إلى درجة كافية، فإنه سيحمل الجزيء إلى حالته النهائية، أي إلى سوية الطاقة التي يتفكك عندها إلى أحد زوجي المركبات السابقين. تتضمن الدالة الموجية التي تصف الجزيء ABC في هذه الحالة نوعين من المعلومات، أحدهما هو طبيعة موجة الضوء الليزري الذي يشعع الجزيء والآخر هو طبيعة الموجة الميكانيكية الكمومية للجزيء ذاته.
أما إذا شعّعنا الجزيء بفوتون ذي تواتر يبلغ ثلث تواتر الفوتون السابق، (أي بفوتون يحمل ثلث الطاقة التي كان يحملها الفوتون الأول)، فإن على الجزيء ـ حتى يتفكك ـ أن يمتص ثلاثة من هذه الفوتونات عوضا عن فوتون واحد، وستكون الدالة الموجية الجزيئية في نقطة التفكك مختلفة ومظهرة أن الجزيء قد امتص ثلاثة فوتونات بدلا من فوتون واحد.
يمكن التحكم في الحركة الجزيئية إذا ما شعَّعنا في آن واحد الجزيء ABC في كلا الحقلين الضوئيين. وسيتشكل من جراء ذلك دالتان موجيتان متمايزتان عند طاقة التفكك، تدل كل واحدة منهما على أحد منوالي modes الإثارة. وسيتداخل هذان المنوالان، تماما كما يتداخل الضوء المترابط عند مروره من خلال شقين طوليين مُحْدَثَيْن في صفيحة معتمةوقد يبدو غريبا أن يتداخل مساران تفاعليان، إلا أن هذا التداخل هو في أساس مفاهيم الميكانيك الكمومي.
إن من حسن حظ الكيميائيين الذين يبحثون في التحكم في الجزيئات، أن التعبير الرياضياتي الذي يصف حالة التداخل يختلف فيما بين نوعي نواتج تفكك الجزيء ABC ، بحيث يمكن توجيه هذا التفكك بصورة أساسية نحو تشكل زوجي المركبات A و BC أو الزوجين AB و C من خلال ضبط حد التداخل. يتوقف التداخل، وبالتالي كمية كل منتج، على السعة النسبية لكل من حزمتي الضوء الليزري الأصليتين، وعلى طورها، وبذلك يمكن تعديله وتغييره من خلال ضبط هذه الخصائص. وبسبب اعتماد التحكم الجزيئي على ظاهرة التداخل، فإن ذلك لا يقتضي استخدام ليزرات قوية، وبالتالي فإن ضوءا ضعيفا يمكن أن يكون ذا تأثير أساسي في ديناميكية الجزيئات.
وقد درس <K.Ch.شان> (في جامعة تورنتو) في حينه تفكك جزيء اليود الأحادي البروم، الثنائي الذرة (IBr)، القادر على التفكك إلى I+Br أو*I+Br، حيث تدل*Br على ذرة بروم تملك فائضا من الطاقة. وتوقَّعت حساباتنا أن يؤدي تعديل شدتي حزمتي الليزر المستخدمتين، وطوريهما النسبيين إلى تحقيق تحكم واسع المدى يتيح التأثير في كمية البروم ذي الطاقة المرتفعة، على نحو يجعل نسبتها المئوية في مجمل الناتج المتشكل تتراوح ما بين %25 و %95. ويتجاوز مدى التحكم هذا كل أحلام وآمال الكيميائيين الصناعيين التقليديين الذين كانوا يسعون لتحقيق انتقائية لا تتعدى نسبتها 10 في المئة. كما أظهرت التجارب التي أجراها <D.إليوت> (في جامعة Purdue) نجاح هذا التوجه نحو التحكم في تفاعلات تأيين الذرات. أما <J.R. گوردون> (من جامعة إلينوي في شيكاغو) فقد حصل على نتائج جيدة أيضا في التحكم في حالة الجزيئات الثنائية الذرة أو المتعددة الذرات


[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]

يمكن لاستراتيجية الليزر الثنائي النبضة أن تتحكم أيضا في نواتج تفاعل كيميائي ما، حيث تضع النبضة الأولى الجزيء في حالة متراكبة، أي في حالة تجعله يهتز ويدور على نحو خاص؛ وتتوقف هذه الحركة على خصائص كل من الجزيء (الهدف) والليزر (القذيفة). أما النبضة الثانية فتحطم الجزيء. يمكن التحكم في نواتج التفاعل بتعديل الزمن الفاصل بين النبضتين، وبتغيير التواترات المشكلة لهما.





وهذا النوع من التحكم المترابط لا يقتصر على استخدام فوتون واحد من جهة وثلاثة فوتونات يحمل كل واحد منها ثلث طاقة الفوتون الأول من جهة أخرى، فالميكانيك الكمومي يتيح المجال أمام التحكم في مدى حدوث تفاعل خاص إذا ما توافق كل واحد من مساريه المحتملين وامتصاص عدد فردي أو عدد زوجي من الفوتونات. وقد بيّن <A.باندروك> (من جامعة شربروك في كيبك) بصورة حسابية، أنه يمكن التحكم إلى مدى بعيد في تفاعل التفكك الضوئي لجزيء كلور إلى ذرتين تحمل واحدة منهما فقط فائضا من طاقة، وذلك عندما يمتص هذا الجزيء فوتونين من حزمة ليزر أولى، وأربعة فوتونات يملك كل واحد منها نصف الطاقة التي يحملها كل واحد من الفوتونين الأولين من حزمة ليزر ثانية. كما أظهرنا ـ بصورة مماثلة ـ أن استخدام فوتون واحد، بالتزامن مع فوتونين يحمل كل واحد منهما نصف طاقته، يسمح بالتحكم في الاتجاه الذي تأخذه الجزيئات عندما تغادر منطقة التفاعل. تتيح مثل هذه الإمكانية فصلا أفضل لنواتج التفاعل وتعزز بذلك فعاليته وتقويها.

التداخل والتحكم المترابط




[ندعوك للتسجيل في المنتدى أو التعريف بنفسك لمعاينة هذا الرابط]


يمكن توليد أهداب التداخل بتمرير ضوء مترابط عبر شقين. كما أن جسيمات كمثل الجزيئات تتداخل أيضا بالطريقة هذه.









قد يكون أكثر المظاهر غرابة في مفاهيم الميكانيك الكمومي، هو ما أضفاه من سلوك موجي على المادة في شروط وظروف محددة، فجعلها تقوم بظاهرة التداخل. ولارتباط هذه الظاهرة بصورة أساسية بإمكانية أو قدرة الليزر على التحكم في التفاعلات الكيميائية، فقد يكون مفيدا أن نعرض هنا بعض المفاهيم الرياضياتية وكذلك بعض مفاهيم تقنيات الميكانيك الكمومي المرتبطة بهذه الظاهرة.
يحدث التداخل تبعا للطريقة التي تجتمع فيها الأمواج بعضها مع بعض، وتقوم طريقة جمع عدة أمواج مختلفة على جمع سعاتها (أي ارتفاع موجاتها) ثم أخذ مربع الناتج. لنعتبر مثلا التداخل القائم بين موجتين نرمز لسعتيهما في زمن معطى وفي وضعية محددة بـ a و b. إن شدة كل واحدة منهما هي a2 وb2 على التوالي؛ أما السعة المرتبطة c فهي مجموع السعتين a، b أي c = a+b. أما الشدة المرتبطة c2 فتساوي c2= (a+b)2 = a2+b2+2ab.
يلاحظ أن هذه الشدة ليست فقط مجموع شدتي الموجتين أي a2+b2، بل إن هناك حدا إضافيا تداخليا يسهم في تحديدها هو المقدار 2ab. فإذا كانت إشارتا سعتي الموجتين من نوع واحد، كأن تكون كلتاهما موجبة أو سالبة، فإن الحد التداخلي يكون موجبا، وتكون الشدة الناتجة أكبر من مجموع شدتي الموجتين، ويكون تداخلهما بنّاء. أما إذا كانت إشارتا السعتين a و b مختلفتين، أي إذا كانت إحداهما موجبة والأخرى سالبة، فإن حد التداخل يكون سالبا، وتكون الشدة الناتجة c2 أصغر من مجموع شدتي الموجتين المنفردتين، ويكون تداخلهما هدّاما.
يمكن أن يُرى تغير الشدة الناتج من تداخل الأمواج الضوئية في تجربة الشقين الشهيرة، حيث تمر حزمة من الضوء المترابط عبر شقين وتصل بعدهما إلى حاجز تتوافق مناطق الإضاءة على الحاجز وعملية التداخل البناء بين حزمتي الضوء اللتين عبرتا الشقين، في حين تتوافق مناطق العتمة الملاحظة وعملية التداخل الهدام القائم بين هاتين الحزمتين. أما الشدات الواقعة بين هذين الطرفين الحديين فتتشكل من جمع النهايات العظمى والصغرى والتي تلتقي على الحاجز.
لنفترض الآن أننا نستعيض عن الضوء المار عبر الشقين بجسيمات، مثل إلكترونات أو ذرات أو جزيئات. يمكن بالبداهة أن نتصور أن الشكل الذي سيظهر على الحاجز، سيكون مثل لطختين شبه مستطيلتين ناتجتين من مرور الجسيمات عبر الشقين. وفي الحقيقة، وبسبب الصفة الأساسية للميكانيك الكمومي، فإن الصورة الملاحظة على الحاجز تدل بوضوح على صورة تداخل، مما يعني أن بوسع الجسيمات إظهار الخصائص السلوكية التي للأمواج (شريطة أن تكون هذه الجسيمات مترابطة، أي مهيأة على نحو تكون لها معه دوال موجية محددة بدقة). ولا يمكن تقديم أي تفسير لهذه الملاحظات بدلالة النظرية التقليدية للجسيمات.
ولهذا السبب، فإن الوصف الملائم لديناميكية الجسيمات في الميكانيك الموجي، يتطلب اعتماد دالة موجية خاصة بها، كما في حالة الأمواج، وهي دالة تتحدد أيضا بسعة وبطور. فإذا ما أخضعنا الجسيمات لتجربة الشق المزدوج، فإن دوالها الموجية الكمومية، ستتداخل إحداها مع الأخرى عند وصولها إلى الحاجز عبر الشقين. وهنا نلاحظ مظهرا آخر أكثر أهمية وغير مألوف للمفهوم الكمومي. ذلك أن التداخل يحدث لأننا لا نعرف عبر أي من الشقين مرت الجسيمات المتداخلة، ولو وجهنا اهتمامنا لمعرفة ذلك لاختفت صورة التداخل
تجسد تجربة الشق المزدوج مبدأ كموميا أساسيا ينص على إمكانية جعل الطريقين (أو أكثر)، اللذين يحافظان على طور الجسيم عندما يسلكهما في سعيه لبلوغ حالة نهائية ما، أن يتداخلا. وفي تجربة الفوتون الواحد والفوتونات الثلاث، التي ورد ذكرها في سياق هذه المقالة، فإننا لا نستطيع تحديد أي من طريقي الإثارة الممكنين يمكن أن يقود إلى الحالة النهائية الملاحظة، لذلك نقول إن الطريقين يتداخلان. ويشكل هذا التداخل المثار ضوئيا، أساس التحكم المترابط الإشعاعي للعمليات الجزيئية.


التقييدات الحالية
على الرغم من أن المفاهيم الخاصة بالتحكم في التفاعلات الكيميائية باستخدام ضوء مترابط تنطبق على مجال واسع من الجزيئات المعزولة فإن هناك عقبتين، على الأقل، تحولان دون تطبيق تلك المفاهيم على نحو واسع ومباشر. تنشأ إحدى هاتين العقبتين عن انخفاض فعالية التحكم الليزري على نحو ملحوظ عند عدم إمكانية تحديد أطوار الأمواج الضوئية، أو أطوار الدوال الموجية الجزيئية، بدقة وعلى نحو جيد. وغالبا ما يحدث هذا النقص في وضوح الطور بسبب الاصطدامات الحاصلة ما بين الجزيئات والتي تزداد عند ارتفاع درجة الحرارة والضغط، كما هي الحال في معظم التفاعلات الصناعية. ومن هنا نشأت الحاجة إلى إجراء مزيد من الدراسات والبحوث، قبل أن يصبح بالإمكان اعتماد مفاهيم التحكم المترابط في التفاعلات الصناعية الحديثة؛ ولهذا السبب أيضا يقتصر تطبيق تلك المفاهيم في الوقت الحاضر على أوساط تفاعلية مختارة بدقة، أو على نوع محدد من التفاعلات. فعلى سبيل المثال، تصح تلك المفاهيم ـ على نحو جيد ـ في تفاعلات الأوساط الغازية الممددة، حيث تتباعد الجزيئات بعضها عن بعض، وتقل بالتالي اصطداماتها المتبادلة.
أما العقبة الرئيسية الثانية، التي بدأ يتضح حاليا أنه يمكن التغلب عليها، فذات صلة بطور الضوء الليزري. إذ إننا لا نعلم، إذا ما أُعطينا منبعين ليزريين اختياريين، المدى الذي سيكون فيه ضوء أحدهما على طور مع ضوء الآخر. إضافة إلى ذلك، فإن فرق الطورين الضوئيين يتأثر بعدم ثبات أو استقرار التجهيزات المستخدمة. ويقلل فرق طور غير ثابت بين الضوءين الليزريين إلى حد بعيد من درجة تداخلهما وبالتالي من دقة التحكم.
وقد تم صنع تجهيزات ضوئية متطورة قادرة على تجاوز مشكلات الطور المذكورة هذه، حيث يمكن توليد فوتونات بإمرار ضوء ذي تواتر واحد عبر مادة خاصة، فتتحرض وتصدر بدورها ضوءا ذا تواتر آخر. تعطي هذه الطريقة حقلين ضوئيين تكون علاقتهما الطورية محددة بشكل جيد، ويمكن لاحقا التحكم في فرق الطور الكائن بين المنبعين الضوئيين بتبطيء حزمة أحدهما، على نحو مؤقت، بالنسبة للآخر.
وهناك طريقة أخرى للتحكم في مشكلات الطور، تعتمد على استخدام حزمة ليزرية قوية، وتتمحور حولها الآن العديد من البحوث والتحريات الحديثة. وقد بيّن <Z. تشن> (من جامعة تورنتو) أن هذه الحزم تجنب الحاجة إلى استخدام أشعة ذات أطوار محددة ومتحكم فيها بعناية؛ كما أن بوسع هذه الطرق ـ التي تستخدم حقولا قوية ـ أن تزيد بصورة أساسية الناتج الكلي للتفاعل، وأن تتجنب التأثيرات الناتجة من الاصطدامات غير المرغوب فيها. وقد طُوِّر، حديثًا، نظام خاص، قام بتجربته في معهد وايزمان للعلوم كل من <I. سوفر> و <A.شنيتمان> و <I.گولوب> و<A.يوگيڤ> وشاپيرو، وذلك لإظهار وتبيان التحكم في سائر نواتج التفاعل المتشكلة عند تفكك جزيئات الصوديوم المتزاوجة.

استخدام النبضات
يعتبر تداخل المسارات الجزيئية في التفاعلات الكيميائية مفتاح السيطرة على هذه التفاعلات. لذا فإن أي ترتيب ليزري يحرّض مثل هذا التداخل، يمكن أن يستخدم كوسيلة للتحكم في التفاعلات، حيث يمكن استخدام نبضات ضوء ليزري بدلا من توجيه حزمتين ضوئيتين مستقرتين على هدف ما. تسمح الليزرات الحديثة بتوليد نبضات ذات مدى من مرتبة 10-14 ثانية. وبخلاف الإشعاع الموجي المستمر فإن النبضة الضوئية يمكن أن تصنّع من مجموعة تواترات متميزة واضحة وبالتالي من مجموعة فوتونات ذات طاقات مختلفة. وكلما كانت النبضة أقصر أمدا، كان مجال الطاقات فيها أوسع.
تؤدي هذه الخاصية دورا أساسيا في طرق الليزر النبضي للتحكم في نواتج التفاعلات الكيميائية. فبإطلاق نبضة، ذات رتبة من الطاقات، فإن بوسعها أن تحرض في الجزيء حركة (اهتزازية أو دورانية) تؤثر بدورها في الطريقة التي تتفاعل فيها هذه النبضة مع نبضات ضوء آخر. وعادة ما تكون طاقة جزيء ما مثل (ABC) مكمّمة (أي ذات قيمة محددة). فإذا ما وُجِد جزيءٌ ما في واحدة من هذه الحالات الطاقية الثابتة المعروفة بالحالات المستقرة stationary state، فإن وضعه لا يتبدل بمرور الزمن؛ لذلك وحتى يكون الجزيء فعالا وديناميكيا يجب أن يكون في عدة سويات طاقية مختلفة في آن واحد. تُعرف هذه الحالة التي تتجمع فيها عدة سويات طاقية بالحالة المتراكبة superposition state. وتكون الدالة الموجية التي تصف هذه الحالة هي مجموع الدوال الموجية التي تصف الحالات المستقرة ذوات الطاقات المختلفة التي تشكل الحالة المتراكبة. ولبناء هذه الدالة يوجه الباحثون نبضة من ضوء ليزري متطابق نحو الجزيء، وتتوقف الطريقة التي يتحرك فيها هذا الأخير عندئذ على طبيعة النبضة الليزرية وعلى طبيعة التأثيرات التي تقوم بينهما، وبذلك يمكن إحداث تغيرات ديناميكية في الجزيء، بإزاحة المساهمة النسبية للتواترات التي تشكل النبضة ـ أي بتغيير شكلها وتصحيحه.
وقد طور عدد من الباحثين مثل هذه الآراء، ومن بينهم <A.S. رايس> (من جامعة شيكاغو) و <J.D.تانور> (من جامعة نوتردام) و <H.رابيتز> (من جامعة برنستون) و <R.K. ويلسون> (من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو). وقد بينت النتائج التي حصلوا عليها أن التحكم على نحو أمثل في ديناميكية الجزيئات، يتطلب استخدام نبضات مشكّلة من مزيج معقد من التواترات المختلفة، في حين تكفي تقريبات بسيطة غالبا لتحطيم الجزيئات بصورة مُراقَبة أو متحكَّم فيها.
وعلى الرغم من أن نبضة ضوء وحيد قد تُغيِّر أو تعدل ديناميكية جزيء ما، فإنها لا تعتبر بمفردها وسيلة فعالة للتحكم في نواتج تفاعل كيميائي ما. وتبزّها في ذلك الفكرة التي عرضها للمرة الأولى رايس وتانور، والتي تسمح بهذا التحكم من خلال استخدام أكثر من نبضة، وبصورة خاصة استخدام تتال أو تتابع من نبضتين، تضع إحداهما الجزيء في حالة تراكب تملي عليه كيفية استجابته اللاحقة للنبضة التالية، في حين تحطمه النبضة الأخرى إلى نواتجه المختلفة.
يعتبر هذا المشهد، على الرغم من عدم وضوح ذلك للعيان، مماثلا لذلك الذي يستخدم أمواجا ليزرية مستمرة من حيث مسؤولية التداخل الكمومي بين الدوال الموجية الجزيئية عن عملية التحكم. فقد تم تحقيق التداخل بين الدوال الموجية الجزيئية في حالة التواترات المختلفة المُشَكِّلة لنبضتي الضوء الواردتين إلى الجزيء؛ وقد أمكن التأثير في عملية التداخل هذه، وبالتالي في حصيلة النواتج المتشكلة، من خلال تغيير الفاصل الكائن بين النبضتين، وكذلك تغيير التواترات التي تشكل النبضة الليزرية الأولى. لذلك، وبخلاف تجارب الليزر ذي الموجة المستمرة التي يتشكل فيها تيار مستقر من نواتج التفاعل، فإن الليزر النبضي يتيح المجال ـ على نحو أفضل ـ للاستفادة من الزمن كأحد المتحولات التجريبية.
وقد بيّنت الدراسات الحسابية التي أجراها <I. ليڤي> ( في معهد وايزمان للعلوم ) أن مجال التحكم قد يكون واسعا وممتدا، وبيّن في تحليل لتفكك الجزيئات الثنائية الذرة، أن محصلة التفاعل يمكن أن تتغير بصورة تتراوح فيها نسبة المنتج المراد ما بين 3 و 95 في المئة، وذلك تبعا لحالة الترتيبات الليزرية المعتمدة، وبذلك يمكن إطلاق تفاعل ما أو إيقافه. أما في حالة الجزيئات المتعددة الذرات، فيكون التحكم ذا درجة مقبولة إلى حد ما على الرغم من عدم اتساعه. وقد طبق بنجاح هذه المقاربة في دراسة تفكيك جزيء الماء أحادي الدوتيريوم (HDO)، المكون من هيدروجين ودتيريوم وأكسجين، بغية تشكيل مقادير متحكم فيها من H+OD و D+OH.

تطبيقات صيدلانية
يحمل أحد التطبيقات الفعلية لموضوع التحكم بواسطة الليزر البُشرى للعاملين في الصناعات الصيدلانية. فالكيميائيون يهمهم التأكد من أن لنواتج التفاعل تشكيلة محددة، لأن جزيئا بعينه ذا صيغة كيميائية محددة قد يوجد على أحد شكلين يُعْرفان بالمتخايلين enantiomers، لأن أحدهما يكون خيال الآخر بالمرآة، مثلما تكون اليد اليمنى خيال اليسرى. ويوصف هذان الشكلان بأن أحدهما أيمن أو ذو يدوية يمنى right-handed والآخر أيسر أو ذو يدوية يسرى left-handed، وغالبا ما يكون أحدهما فعالا بيولوجيا، في حين يكون الآخر ضارا أو غير فعال. لذلك تنفق شركات الأدوية مبالغ وجهودا كبيرة لتشكيل المركبات ذوات اليدوية handedness الصحيحة الملائمة.
وقد يحمل التحكم بوساطة الليزر الجواب والحل الشافيين لتشكّل المنتج المراد. لقد درسنا تفكك مركب يمكن أن يعطي نوعين أيمن وأيسر. لنرمز لجزيء هذا المركب َABA حيث يشكلA و َA المتخايلين. قد يعطي تفكك هذا الجزيء A و َBA أوَA و BA. ولما كان ذا تناظر (تماثل) عال فإن تفككه التقليدي بتسليط ضوء عليه، لا يجعله يسير على نحو مفضل في أي من الاتجاهين المذكورين، لذلك تتشكل مقادير متساوية من A وَA. وقد بينت دراستنا أنه يمكن تحت ظروف مناسبة (وبخاصة في حال وجود حقل مغنطيسي ضعيف)، تطبيق نظام النبضتين للتحكم في تشكل المتخايلين بحيث يتشكل النوع A بدلا من ََA.
ويمكن للطرائق التي تعتمد مبدأ التداخل الكمومي أن تذهب إلى مدى يتجاوز موضوع التحكم في التفاعلات الكيميائية، وذلك من خلال تطبيقها أنواعا جديدة من التقانات، فقد تسمح هذه الطرق للعاملين فيها باختيار حالة طاقية خاصة لنواتج تفاعل كيميائي ما، تقدِر بدورها على توليد ضوء ليزري ذي تواترات لا تتيح التجهيزات المألوفة الحصول عليها. ومن أبرز ذلك ما اقترحه <B.P. كوركوم> (من المجلس الوطني للبحوث في كندا) عن استخدام تأثيرات التداخل لإقامة ليزرات تطلق دفقات من الضوء فائقة القصر في فواصل زمنية من مرتبة 16-10 ثانية. وهذا الفاصل الزمني يعادل تقريبا عُشر زمن النبضات التي تطلقها أفضل أنواع الليزر المستخدمة في يومنا هذا.
وقد اقترح <G. كورزكي> (من معهد وايزمان) استخدام مبدأ التداخل الكمومي لتنظيم جريان الإلكترونات في أشباه موصلات (نواقل)، وذلك بتصميم مسارين يمكن من خلالهما لذرة مانحة أن تفقد إلكترونا بامتصاصها ضوءا. يمكن جعل هذين المسارين يتداخلان، وإن التحكم في هذا التداخل يعني إمكانية تنظيم اتجاه الإلكترونات المقتلعة وبالتالي اتجاه التيار الكهربائي، وستكون النتيجة صنع قاطع ضوئي سريع من مرتبة
12-10ثانية، وهو أسرع بمرات عديدة من أي قاطع ضوئي معروف في يومنا هذا. وقد قدم <B.زلدوڤيتش> الذي يعمل حاليا في جامعة وسط فلوريدا) الدليل التجريبي عن هذا التحكم الموجَّه، في مكشافات كهرضوئية، كما قدمه كوركوم في ترتيبات من أشباه موصلات، وقدمه إليوت في ذرات مؤينة بالضوء.
لقد حمل الميكانيك الكمومي معه مفاهيم جديدة لفهم الطبيعة، وتجاوزنا معه الآن دور المراقب السلبي أو المنفعل، وغدا بوسعنا ونحن على عتبة القرن الحادي والعشرين، أن نوسع أفكاره ومفاهيمه لفتح المجال أمام إمكانات لا سابق لها لتحقيق تقدم أكبر بالتحكم في العمليات الذرية والجزيئية والإلكترونية.

بقلم

Moshe Shapiro - Paul Brumer
يعمل برومر أستاذا للفيزياء الكيميائية النظرية في جامعة تورنتو. حصل على الدكتوراه من جامعة هارڤارد ، ونال مؤخرا الميدالية البالاديومية للمعهد الكيميائي الكندي، وهي من أرفع الجوائز التي تمنحها مؤسسات علمية. أما شابيرو وهو أستاذ الفيزياء الكيميائية النظرية في معهد وايزمان للعلوم، وقد شغل مراكز عدة خلال زياراته للولايات المتحدة وأوروبا وكندا.

نشر هذا المقال في مجلة :scientific american