Image courtesy of Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory
The Science
เมื่อโมเลกุลทำปฏิกิริยากับแสงอัลตราไวโอเลต (UV) โมเลกุลจะเปลี่ยนรูปร่างได้อย่างรวดเร็ว ส่งผลให้เกิดความเครียด (Stress) ในโครงสร้างเคมีของโมเลกุล อันเนื่องมาจากพลังงานภายในโมเลกุลที่เพิ่มขึ้น กระบวนการเหล่านี้มักใช้เวลาเพียงสิบพิโควินาที หรือ หนึ่งในล้านของวินาที ความสามารถขั้นสูงของเครื่อง X-ray free electron laser (XFEL) ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถสร้างภาพของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่รวดเร็วมากได้ ในงานวิจัยนี้ นักวิจัยพบหลักฐานโครงสร้างของโมเลกุลที่ประกอบด้วยวงแหวนสองวงที่เชื่อมต่อกัน หรือที่เรียกว่า Bicyclic molecule ที่มีความเครียด ซึ่งเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นเมื่อ Cyclopentadiene ดูดซับแสง UV ซึ่ง Cyclopentadiene เป็นตัวอย่างที่ดีสำหรับการศึกษาปฏิกิริยาต่างๆ และการค้นพบนี้มีความหมายต่อศาสตร์เคมี
The Impact
โมเลกุลที่มีความเครียดสูงมีการใช้งานที่น่าสนใจมากมายในด้านพลังงานแสงอาทิตย์และด้านเภสัชกรรม อย่างไรก็ตาม ความเครียดไม่ได้เกิดขึ้นตามธรรมชาติโดยทั่วไป ต้องมีการเติมพลังงานเข้าไปในระบบโมเลกุลเพื่อสร้างความเครียด การสร้างโมเลกุลที่มีวงแหวนให้มีความเครียดเป็นความท้าทายในทางเคมีกายภาพ การวิจัยนี้ยืนยันสมมติฐานที่ว่าปฏิสัมพันธ์ที่ควบคุมได้ระหว่างโมเลกุลของแสงและ Cyclopentadiene จะสร้างโครงสร้างที่มีความเครียด นอกจากนี้ ทีมวิจัยยังสามารถแยกความแตกต่างระหว่างประเภทของความเครียดในโครงสร้างวงแหวนได้ ซึ่งอาจใช้เป็นข้อมูลสำหรับการสังเคราะห์โมเลกุลในอนาคต ผลการวิจัยดังกล่าวสามารถนำไปใช้ในทางปฏิบัติและมีความสำคัญต่อทฤษฎีเคมี
Summary
เมื่อโมเลกุลทำปฏิกิริยากับแสง UV รูปร่างของโมเลกุลสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างรวดเร็ว โดยปกติจะอยู่ในช่วงเวลาสิบพิโควินาที ความสามารถขั้นสูงของ XFEL ช่วยให้สามารถถ่ายภาพการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างที่รวดเร็วมากนี้ได้ ในงานวิจัยนี้ นักวิจัยได้ใช้ประโยชน์จากพัลส์รังสีเอกซ์ความเร็วสูง (ultrafast X-ray pulses) ณ Linac Coherent Light Source (LCLS) ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ SLAC National Accelerator Laboratory ของสำนักงานวิทยาศาสตร์ของกระทรวงพลังงาน (Department of Energy Office of Science)
ทีมวิจัยใช้พัลส์รังสีเอกซ์ของ LCLS เพื่อศึกษาไดนามิกส์ของโครงสร้างโมเลกุล Cyclopentadiene กล่าวคือ โมเลกุลอินทรีย์ C5H6 ซึ่งเป็นอะตอมคาร์บอนจากวงแหวนสมมาตร โดยสังเกตการเปลี่ยนไปสู่สถานะที่มีความเครียดสูงหลังจากการกระตุ้นด้วยแสง ทีมวิจัยกระตุ้นโมเลกุลด้วยพัลส์แสง UV ที่มีความยาวคลื่น 243 นาโนเมตร และเปรียบเทียบข้อมูลการกระเจิงรังสีเอกซ์ที่ขึ้นกับเวลา (time-dependent X-ray scattering data) กับข้อมูลทางทฤษฎีของการกระเจิงจากโมเลกุลที่มีความเครียดต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างปฏิกิริยา ข้อมูลสอดคล้องกับการก่อตัวโดยตรงของ Bicylo[2.1.0]pentene ตามสมมติฐานแต่ไม่เคยสังเกตโดยตรงมาก่อน ในทางกลับกัน การทดลองไม่ได้สังเกตเห็น Tricyclo[2.1.0.0]pentane ซึ่งถูกตั้งสมมติฐานว่าเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีศักยภาพเช่นกัน ผลการวิจัยเหล่านี้นำไปสู่ความเข้าใจที่มากขึ้นว่าความเครียดของโมเลกุลมีบทบาทอย่างไรในโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง
Funding
งานวิจัยนี้ได้รับการสนับสนุนหลักจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ ฝ่ายงานด้านวิทยาศาสตร์พลังงานพื้นฐาน วิทยาศาสตร์เคมี ธรณีศาสตร์ และแผนกชีววิทยาศาสตร์ (Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences หรือ CSGB) ของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Energy หรือ DOE) วิทยาศาสตร์เคมี ธรณีวิทยา และชีววิทยาศาสตร์ (CSGB)
The Basic Energy Sciences Programs
ฝ่าย CSGB สนับสนุนการวิจัยพื้นฐานเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีและพลังงาน มีจุดมุ่งหมายสำหรับการพัฒนาการผลิต การจัดเก็บ การแปลง และการใช้พลังงาน รวมถึงการประยุกต์ใช้งานอื่นๆ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ โครงการวิทยาศาสตร์พลังงานพื้นฐาน (The Basic Energy Sciences หรือ BES) ซึ่งสนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์พื้นฐานเพื่อวางรากฐานสำหรับเทคโนโลยีพลังงานใหม่ และเพื่อพัฒนาภารกิจของ DOE ในด้านพลังงาน สิ่งแวดล้อม และความมั่นคงของชาติ การวิจัย BES เน้นที่การค้นพบ การออกแบบ และการทำความเข้าใจวัสดุใหม่ กระบวนการทางเคมี ชีวเคมี และธรณีวิทยาใหม่ เป้าหมายสูงสุดคือการทำความเข้าใจโลกทางกายภาพให้ดีขึ้น และใช้ประโยชน์จากธรรมชาติเพื่อประโยชน์ของมนุษย์และสังคม
โครงการ BES สนับสนุนการวิจัยทางวิทยาศาสตร์กายภาพรายใหญ่ที่สุดของสหรัฐอเมริกา ที่ให้ทุนสนับสนุนวิทยาศาสตร์พื้นฐานแก่มหาวิทยาลัย ห้องปฏิบัติการแห่งชาติ และสถาบันวิจัยเกือบ 170 แห่งในสหรัฐฯ BES ยังได้สร้างและสนับสนุนเครือข่ายระดับชาติของศูนย์วิจัยร่วมที่สำคัญซึ่งตั้งอยู่ในห้องปฏิบัติการแห่งชาติของ DOE และเปิดให้นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรทุกคนเข้าถึงได้ นอกจากนี้ BES ยังมี Subprograms อื่นๆ เช่น Materials Sciences and Engineering (MSE), Scientific User Facilities (SUF), Energy Frontier Research Centers (EFRCs), Computational Materials and Chemical Sciences (CMS,CCS) และ Energy Innovation Hubs
-------------------
แหล่งข้อมูลอ้างอิง
Carbon Rings Under Stress, https://www.energy.gov/science/bes/articles/carbon-rings-under-stress
Basic Energy Sciences, https://www.energy.gov/science/bes/basic-energy-sciences
Comments