45 Yıllık Teori Doğrulandı: Fizikçiler Moleküllerin “Görünmez” Enerji Durumları Üzerine Yeni Bir Işık Tuttular
Hiper-Raman optik aktivitesinin sanatsal temsili: sarmal bir iskelede (beyaz noktalar) düzenlenmiş moleküllere düşen bükülmüş ışık (kırmızı sarmal), ‘kiralite’yi (spiral desenlerdeki yamalar ve kırık ayna) ifade eden hiper-Raman saçılma spektrumları (çok renkli ışık yamaları) üretir.
İngiltere’deki Bath Üniversitesi’ndeki bir bilim insanları ekibi, moleküllerin gizli enerji durumlarını ortaya çıkarmak için ışık parçacıklarını kullanma yöntemini keşfetti.
Bath Üniversitesi’nden fizikçilerin öncülüğündeki uluslararası bir bilim insanları ekibi, eczacılık bilimi, güvenlik, adli tıp, çevre bilimi, sanat koruma ve tıp da dahil olmak üzere çeşitli alanları önemli ölçüde etkileyebilecek yeni bir optik fenomeni ortaya koydu.
Moleküller çok belirli şekillerde döner ve titreşir. Üzerlerine ışık vurduğunda sıçrar ve dağılır. Her bir milyon ışık parçacığı (foton) için, tek bir tanesi renk değiştirir. Bu değişim Raman etkisidir. Bu renk değiştiren fotonların birçoğunu toplamak, moleküllerin enerji durumlarının bir resmini çizer ve onları tanımlar.
Yine de bazı moleküler özellikler (enerji durumları) Raman etkisine görünmezdir. Bunları ortaya çıkarmak ve daha eksiksiz bir resim çizmek için ‘hiper-Raman’a ihtiyaç vardır.
Hiper-Raman
Hiper-Raman etkisi, basit Raman’dan daha gelişmiş bir olgudur. İki fotonun moleküle aynı anda çarpması ve daha sonra birleşerek Raman renk değişimi gösteren tek bir saçılmış foton oluşturmasıyla meydana gelir .
Hiper-Raman canlı dokuya daha derin nüfuz edebilir, moleküllere zarar verme olasılığı daha düşüktür ve daha iyi kontrastlı görüntüler üretir (otofloresanstan kaynaklanan daha az gürültü). Önemlisi, hiper-Raman fotonları Raman’dakilerden bile daha az olsa da, sayıları moleküle yakın minik metal parçalarının (nanopartiküller) varlığıyla büyük ölçüde artırılabilir.
Önemli avantajlarına rağmen, hiper-Raman şimdiye kadar yaşamın temel bir özelliğini, kiraliteyi inceleyemedi.
Optik Aktivite
Moleküllerde kiralite, birçok yönden DNA’nın sarmal yapısına benzer şekilde bükülme hissini ifade eder . Proteinler, RNA , şekerler, amino asitler , bazı vitaminler, bazı steroidler ve çeşitli alkaloidler dahil olmak üzere birçok biyo-molekül kiralite sergiler .
Işık da kiral olabilir ve 1979 yılında araştırmacılar David L. Andrews ve Thiruiappah Thirunamachandran, hiper-Raman etkisi için kullanılan kiral ışığın, moleküllerin kiralitesini ortaya çıkarmak için üç boyutlu bilgi sağlayabileceği teorisini ortaya attılar.
Ancak, hiper-Raman optik aktivitesi olarak bilinen bu yeni etkinin çok ince, hatta ölçülmesinin imkansız olması bekleniyordu. Bunu gözlemleyemeyen deneyciler kiral ışıklarının saflığıyla mücadele ettiler. Dahası, etki çok ince olduğundan, büyük lazer güçleri kullanmayı denediler, ancak bu, incelenen moleküllere zarar verdi.
Hem Bath ekibine hem de çalışmaya liderlik eden Profesör Ventsislav Valev, şunları söyledi: “Önceki girişimler etkiyi doğrudan kiral moleküllerden ölçmeyi hedeflerken, biz dolaylı bir yaklaşım izledik. Kendi başlarına kiral olmayan moleküller kullandık, ancak bunları kiral bir iskele üzerinde birleştirerek kiral hale getirdik. Özellikle, molekülleri, moleküllere etkili bir şekilde kendi bükülmelerini (kiralitelerini) veren minik altın nanoheliksler üzerine yerleştirdik. Altın nanohelikslerin çok önemli bir başka faydası daha var: minik antenler olarak hizmet ediyorlar ve ışığı moleküllere odaklıyorlar. Bu süreç hiper-Raman sinyalini artırıyor ve onu tespit etmemize yardımcı oluyor. Bu tür nanoheliksler 1979 teori makalesinde yer almıyordu ve bunları açıklamak için bu araştırma alanının orijinal yazarlarından ve öncülerinden birine başvurduk.”
45 yıllık bir teoriyi doğrulamak
Doğu Anglia Üniversitesi’nden Emeritus Profesör Andrews ve makalenin ortak yazarı şunları söyledi: “Bu deneysel çalışmanın, tüm bu yıllardan sonra teorik öngörümüzü nihayet doğruladığını görmek çok sevindirici. Bath’daki ekip olağanüstü bir deney gerçekleştirdi.”
Bu yeni etki, ilaçların bileşimini analiz etmek ve kalitelerini kontrol etmek için kullanılabilir. Ürünlerin gerçekliğini belirlemeye ve sahteleri ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Ayrıca gümrük veya suç mahallerinde yasadışı uyuşturucuları ve patlayıcıları tespit etmeye de hizmet edebilir.
Hava, su ve topraktan alınan çevresel örneklerdeki kirleticilerin tespit edilmesine yardımcı olacaktır. Koruma ve restorasyon amaçları için sanattaki pigmentlerin bileşimini ortaya çıkarabilir ve hastalık kaynaklı moleküler değişiklikleri tespit ederek tıbbi teşhis için klinik uygulamalar bulması muhtemeldir.
Profesör Valev şunları söyledi: “Bu araştırma çalışması, onlarca yıldır ve her aşamadaki akademisyenler arasında -doktora öğrencisinden emekli profesöre- kimyasal teori ve deneysel fizik arasında bir iş birliği olmuştur. Diğer bilim insanlarına ilham vermesini ve bilimsel ilerlemenin genellikle onlarca yıl sürdüğüne dair farkındalığı artırmasını umuyoruz.”
İleriye baktığında şunları ekledi: “Bizimkisi temel bir fiziksel mekanizmanın ilk gözlemi. Etki, diğer bilim insanlarının benimseyebileceği standart bir analitik araç olarak uygulanabilene kadar önümüzde uzun bir yol var. Raman spektrometrelerinin dünyaca ünlü üreticisi Renishaw PLC’deki işbirlikçilerimizle birlikte bu yolculuğa çıkmayı dört gözle bekliyoruz.”
Yeni araştırma makalesinin ilk yazarı ve yakın zamana kadar Bath’da doktora öğrencisi olan Dr. Robin Jones şunları söyledi: “Hiper-Raman optik aktivite etkisini gösteren deneyleri gerçekleştirmek benim en ödüllendirici akademik deneyimim oldu. Geriye dönüp baktığımda, doktoramın neredeyse her adımının gözlemi elde etmek için yerine oturan bulmacanın bir parçası gibi olduğu anlaşılıyor.”
