Στον κόσμο της κβαντικής φυσικής και της μελέτης της ύλης, υπάρχουν ορόσημα που δεν αφορούν απλώς την καταγραφή ενός νέου δεδομένου, αλλά την απόδειξη ότι η τεχνολογία μας έχει πλέον φτάσει σε επίπεδα επιστημονικής φαντασίας.
Μια τέτοια στιγμή εκτυλίχθηκε πρόσφατα στις εγκαταστάσεις του Ευρωπαϊκού XFEL (X-ray Free-Electron Laser) στη Γερμανία. Ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν μια εξαιρετικά σπάνια κατάσταση στην ύλη, γνωστή ως «διπλή οπή εσωτερικής στιβάδας» (double core-hole) σε άτομα Κρυπτού (Kr).
Για τον μέσο αναγνώστη, αυτό μπορεί να ακούγεται ως μια δυσνόητη τεχνική λεπτομέρεια. Στην πραγματικότητα όμως, πρόκειται για ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της φασματοσκοπίας ακτίνων Χ, μια εξέλιξη που υπόσχεται να αλλάξει τον τρόπο που βλέπουμε, αναλύουμε και κατανοούμε τις χημικές αντιδράσεις σε μοριακό επίπεδο.
Για να κατανοήσουμε το μέγεθος του επιτεύγματος, πρέπει να δούμε το άτομο σαν ένα καλά οχυρωμένο κάστρο. Στο κέντρο βρίσκεται ο πυρήνας και γύρω του, σε διάφορες στιβάδες (σαν τα τείχη του κάστρου), κινούνται τα ηλεκτρόνια. Η εσωτερική στιβάδα, γνωστή ως στιβάδα Κ (K-shell), είναι η πιο κοντινή στον πυρήνα και τα ηλεκτρόνια εκεί είναι τα πιο ισχυρά συνδεδεμένα.
Μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες μπορούσαν με σχετική ευκολία να απομακρύνουν ηλεκτρόνια από τις εξωτερικές στιβάδες. Όμως, το να «ξεριζώσεις» όχι ένα, αλλά δύο ηλεκτρόνια ταυτόχρονα από την βαθύτερη, πιο προστατευμένη στιβάδα ενός βαρέος ατόμου όπως το Κρυπτό, απαιτεί ποσά ενέργειας και εστίασης που προκαλούν ίλιγγο.
Εδώ έρχεται το Ευρωπαϊκό XFEL. Λειτουργώντας ουσιαστικά ως το πιο ισχυρό «μικροσκόπιο» ακτίνων Χ στον κόσμο, κατάφερε να βομβαρδίσει τα άτομα του Κρυπτού με παλμούς ακτίνων Χ τόσο έντονους και σύντομους, που πέτυχε το ακατόρθωτο: τη δημιουργία αυτής της διπλής οπής πριν το άτομο προλάβει να αντιδράσει και να αναπληρώσει το κενό.
Η επιλογή του Κρυπτού (Krypton) δεν ήταν τυχαία. Ως ευγενές αέριο με σχετικά μεγάλο ατομικό αριθμό, προσφέρει το ιδανικό πεδίο δοκιμών για να ελεγχθούν τα όρια της μη γραμμικής φασματοσκοπίας. Η επιτυχία σε ένα τόσο «βαρύ» στόχο αποδεικνύει ότι το XFEL μπορεί να παράγει παλμούς σκληρών ακτίνων Χ με ακραία ένταση.
Η διαδικασία που ακολουθήθηκε είναι η εξής:
Το laser χτυπά το άτομο.Δύο ηλεκτρόνια εκτινάσσονται βίαια από την καρδιά του ατόμου (K-shell).Το άτομο περιέρχεται σε μια εξαιρετικά ασταθή, διεγερμένη κατάσταση.Στην προσπάθειά του να ισορροπήσει, το άτομο εκπέμπει ενέργεια μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται διάσπαση Auger.
Αυτή ακριβώς η ενέργεια που εκπέμπει το άτομο καθώς καταρρέει ενεργειακά, είναι που καταγράφουν οι επιστήμονες. Το φάσμα που παράγεται είναι μοναδικό και λειτουργεί ως ένα εξαιρετικά λεπτομερές δακτυλικό αποτύπωμα.
Γιατί όμως να μας ενδιαφέρει αν το Κρυπτό έχασε δύο ηλεκτρόνια; Η απάντηση βρίσκεται στις εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας.
Η δυνατότητα παρατήρησης και δημιουργίας καταστάσεων «double core-hole» ανοίγει ένα νέο παράθυρο στη Χημεία και τη Βιολογία. Μέσω αυτής της μεθόδου, οι επιστήμονες μπορούν πλέον να διακρίνουν άτομα του ίδιου στοιχείου που βρίσκονται σε διαφορετικές θέσεις μέσα σε ένα πολύπλοκο μόριο. Είναι σαν να μπορούμε ξαφνικά να ξεχωρίσουμε δύο πανομοιότυπα δίδυμα αδέρφια μέσα σε ένα γεμάτο γήπεδο, βασιζόμενοι απλώς στον τρόπο που αναπνέουν.
Αυτό σημαίνει:
Καλύτερα φάρμακα: Κατανόηση του πώς ακριβώς αλληλεπιδρούν τα φαρμακευτικά μόρια με τις πρωτεΐνες του σώματος.Νέα υλικά: Σχεδιασμός υλικών με εξωτικές ιδιότητες για μπαταρίες ή ημιαγωγούς, καθώς θα κατανοούμε βαθύτερα την ηλεκτρονική τους δομή.Φωτοσύνθεση και Κατάλυση: Αποκρυπτογράφηση των μηχανισμών που χρησιμοποιεί η φύση για να μετατρέπει το φως σε ενέργεια.
Το επίτευγμα αυτό πιστώνεται στην ομάδα του οργάνου Small Quantum Systems (SQS) του Ευρωπαϊκού XFEL. Η δυσκολία του εγχειρήματος έγκειται στον χρονισμό και την ισχύ. Οι παλμοί ακτίνων Χ πρέπει να είναι απίστευτα σύντομοι – της τάξης των femtoseconds (ένα τετράκις εκατομμυριοστό του δευτερολέπτου) – ώστε να «προλάβουν» να χτυπήσουν το άτομο πριν αυτό προλάβει να αλλάξει κατάσταση.
Η δημοσίευση αυτής της μελέτης δεν είναι το τέλος, αλλά η αρχή. Καθώς τα εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης και οι αλγόριθμοι ανάλυσης δεδομένων θα τροφοδοτούνται με αυτά τα νέα, υψηλής ακρίβειας φασματοσκοπικά δεδομένα, η ικανότητά μας να προβλέπουμε τη συμπεριφορά της ύλης θα εκτοξευθεί.
Η επιστημονική κοινότητα έχει πλέον στα χέρια της ένα «κλειδί» που μπορεί να ξεκλειδώσει τα πιο καλά κρυμμένα μυστικά των ατόμων. Το Κρυπτό ήταν απλώς η αρχή. Η συνέχεια αναμένεται να είναι ακόμη πιο εντυπωσιακή, καθώς η ανθρωπότητα συνεχίζει να φωτίζει τις πιο σκοτεινές και μικροσκοπικές γωνιές του Σύμπαντος.