Redakcja: Za co w 1999 r. przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii?

Prof. Czesław Radzewicz: Zacznijmy od tego, że większości ludzi chemia kojarzy się z mieszaniem różnych substancji, gdzie zachodzi jakaś reakcja i powstają produkty. Taki obraz chemii ma tę wadę, że w ogóle nie uwzględnia się w nim czasu. Mieszamy te produkty, jakieś cząsteczki mają się łączyć, atomy przechodzą z jednych wiązań do drugich, a tak na dobrą sprawę nie wiemy jak to naprawdę przebiega. Obraz, który przedstawiłem przed chwilą jest troszkę XX-wieczny, dlatego że właśnie na przełomie tysiącleci stało się coś, co dość dramatycznie zmieniło nasz sposób patrzenia na reakcje chemiczne.

To zdarzenie, o którym chciałem powiedzieć, a może ciąg zdarzeń, czy też ciąg prac różnych ludzi związany jest z faktem, że ludzie po raz pierwszy dostali nowe narzędzia do oglądania tego typu rzeczy. Te narzędzia to ultrakrótkie impulsy światła. Ultrakrótkie w naszym żargonie oznacza impulsy femtosekundowe. Femtosekunda to 10–15sekundy. To tak, jakby wziąć jedną złotówkę i porównać ją z całym produktem brutto Polski, a więc bardzo krótki czas. Mając tak krótkie impulsy światła można z nimi robić różne rzeczy, a jedną z tych, o których chciałem dziś opowiedzieć jest oglądanie reakcji chemicznych.

Wyobraźmy sobie, że mamy reakcję chemiczną, którą da się zainicjować światłem, tzw. fotoreakcję albo fotochemię. Istnieje cały szereg ważnych z punktu widzenia praktycznego reakcji tego typu. Do bardzo ważnych reakcji związanych ze światłem należy np. fotosynteza. Cały proces fotosyntezy zaczyna się od tego, że najpierw pochłaniane jest światło, a energia kwantu promieniowania zostaje następnie użyta do sekwencji reakcji chemicznych, które w rezultacie skutkują tworzeniem nowych chemicznych produktów.

Dlaczego zastosowanie femtochemii, czyli użycie tych krótkich impulsów do badań w domenie chemii było ciekawe i istotne? Otóż dlatego, że po raz pierwszy mogliśmy prześledzić coś, co nazywamy dynamiką reakcji chemicznej i zobaczyć jak ta reakcja przebiega w czasie. Dla typowych reakcji chemicznych ten czas, kiedy wiązania chemiczne zmieniają się w taki sposób, że np. z substratów powstaje produkt albo większa cząsteczka rozpada się na dwie mniejsze, wynosi w zależności od reakcji, dziesiątki, setki lub tysiące femtosekund. Jest to więc dobre narzędzie, które pozwala nam precyzyjnie obserwować zjawisko w funkcji czasu z dobrą rozdzielczością.

Jak wyglądają takie podstawowe, najprostsze doświadczenia w femtochemii? Zaczynamy od krótkiego błysku impulsowego, inicjującego reakcję chemiczną, którą chcemy obserwować, po czym z odpowiednim opóźnieniem w czasie przechodzi inny impuls światła, rejestrujący w jakiś sposób jej przebieg. Z tego typu obserwacji i pomiarów potrafimy odtworzyć dynamikę reakcji. Możemy np. powiedzieć, że po upływie 50 albo 100 femtosekund po impulsie aktywującym, pewne wiązania już się przearanżowały, czy też produkty reakcji już się trochę przesunęły w czasie. Nic nie jest oczywiście nieskończenie szybkie w przyrodzie. Nawet w miarę lekkie atomy, które żeby zmienić wiązania chemiczne muszą się przesunąć na niezbyt duże odległości, to jednak masywne cząstki. Aby się przesunęły potrzebny jest pewien skończony czas i my ten czas jesteśmy w stanie mierzyć. Potrafimy powiedzieć, ile czasu upłynęło od momentu, kiedy zainicjowaliśmy reakcję chemiczną do momentu, w którym jest ona na pewnym etapie swojego rozwoju.

Osobą, która zrobiła najwięcej w dziedzinie femtochemii jest amerykański uczony Ahmed Zewail, laureat Nagrody Nobla z chemii w roku 1999. Zewail to z pochodzenia Egipcjanin, który studiował w Stanach Zjednoczonych i później również tam pracował. On jako pierwszy zaproponował wykorzystanie ultrakrótkich impulsów laserowych do oglądania reakcji chemicznych i wykonał pierwsze, najprostsze oczywiście wtedy doświadczenia. Praca, którą dobrze pamiętam, ponieważ strasznie mi się wtedy podobała, polegała na tym, że Zewail wykorzystał impuls światła laserowego, aby rozerwać wiązanie w cząsteczce dwuosobowej. Wyobraźmy sobie, że istnieje cząsteczka złożona z dwóch atomów. Jeżeli poświecimy na nią odpowiednią długością fali, jesteśmy w stanie zerwać wiązanie chemiczne, po czym te dwa atomy, teraz już swobodne, zaczynają się od siebie oddalać i świecąc kolejnym impulsem światła możemy śledzić jak w czasie przebiega to zrywanie wiązania chemicznego i jak te atomy oddalają się później w funkcji czasu. To doświadczenie angażowało skalę czasu rzędu kilkuset femtosekund. Tyle czasu było potrzebne, aby reakcja dobiegła końca.

Dlaczego to jest tak istotne w chemii czy generalnie szerzej w nauce i technologii? Jednym z powodów jest coś, o czym wszyscy w tej chwili piszą i mówią, rzecz zapewne bardzo ważna dla przyszłości ludzkości na Ziemi, czyli energia odnawialna. Mamy w tej chwili szereg pomysłów, jak bez zanieczyszczeń oraz bez zużywania zasobów ziemskich produkować czystą energię, a jeden z nich opiera się o bezpośrednie przetwarzanie światła słonecznego na energię elektryczną. Mowa o fotowoltaice, ogniwach fotowoltaicznych, które wystawione na promieniowanie słoneczne wytwarzają prąd elektryczny.

Oglądaj całość