ترجمه و تألیف: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
کارگردانان فیلمها از مولکول‌هاى کوچک در نقش یک ستاره، در فیلم‌هاى خود، با مقیاس ما فوق کوچک بهره مى‌گیرند.
توضیح تصویر: عکس گلوله‌اى از درون سیب، گرفته شده توسط هارولد ادرگتون، دقیقاً لحظه‌اى را نشان مى‌دهد که گلوله از میان میوه، در حال عبور کردن است. براى انجام این کار، گیرنده‌ى عکس باید سریع‌تر از سرعت گلوله باشد. براى فیلمى با مقیاس بسیار کوچک، دوربین‌هاى بسیار سریع‌تر مورد نیاز است: آن دسته از دوربین‌هایى که براى عکس بردارى از اشعهى ایکس استفاده می‌کنند، لازم است.
اگر از دریچه‌ى میکروسکوپ به درون یک قطره‌ى آب دریاچه نگاهى بیاندازید، مى‌توانید موجودات ریزى که به آنها آمیب اطلاق مى‌شود یا دیگر میکروب‌ها که به سرعت در حال شنا کردن هستند را ببینید. اگرچه ممکن است بسیار ریز باشند، ولى ارگانیسم آنها بسیار بزرگ است، اگر بدن آن ها را ساختمان‌هاى عظیم تصور کنیم، ارگانیسم‌هاى آن ها شبیه غول‌هاى بزرگ خواهند بود - یک اتم یا گروهى از اتم‌ها که در آن، اتم‌ها با هم پیوند دارند را مولکول مى‌گوییم.
اتم‌ها و مولکول‌ها در هر نقطه‌اى از این دنیا در حال رقصیدنند – از بدن سنجاب‌ها گرفته تا ابرها و از کره‌ى بادام زمینى گرفته تا تایر دوچرخه‌ها. این حرکت‌هاى ریز رفت و برگشتى و این جهش‌ها در واکنش‌هاى شیمیایى و فرآیندهاى دیگر، نقش به سزایى را بازى مى‌کنند و ما را قادر به ادامه حیات می‌سازند.
واکنش‌هاى شیمیایى پیوندهاى بین اتمى را شکسته یا این پیوندها را به وجود مى‌آورند. دانشمندان علاقه دارند که مشاهده‌گر این واکنش‌ها از نزدیک باشند. براى اینکه بتوان این واکنش‌ها را از نزدیک دید، دانشمندان در حال تهیه‌ى فیلم‌هایى مى‌باشند. به‌جاى مستند سازى راجع به شیرها و یا رقصنده‌هاى بریک دنس، این کارگردانان فیلم‌هاى مستند، علاقه دارند که از حرکات مولکول‌ها فیلم بردارى کنند. تصاویر متحرک این فیلمها مى‌تواند تصویرى با بیشترین جزئیات از دنیاى شیمى را در اختیار ما بگذارد.
توضیح تصویر: کریستال‌هاى بسیار کوچک از مواد پایه‌ى پروتئینى. با مطالعه‌ى این ذرات بسیار ریز توسط لیزر، دانشمندان مى‌توانند عمل فوتوسنتز را مشاهده کنند. براى اطلاع از مقیاس، خط مشکى نمایانگر یک میکرومتر یا یک میلیونم متر است.
اما گرفتن تصاویر از فوتو سنتز کار آسانى نیست. مولکول‌ها به صورت رندم، آن قدر سریع حرکت مى‌کنند که نمی‌توان آنها را با میکروسکوپ مشاهده کرد. خوش بختانه یک لیزر پر قدرت - که به صورت یک چراغ قوه‌ى خاص عمل مى‌کند - مى‌تواند به ما کمک کند این چراغ قوه‌ى لیزرى ساطع کننده‌ى اشعهى ایکس مى‌باشد.
با کمک این دستگاه، اخیراً از مولکول‌هاى داخل گیاهان و تعدادى از جلبک‌ها، در حال رقص والتز فیلم بردارى شده است. (رقص والتز به رقصى مى‌گویند که دو نفره بوده و دو نفر در زمین رقص به دور یکدیگر مى‌چرخند). فیلم بردارى این پروژه با نام "فیلم فوتو سنتز" سال‌ها به طول خواهد انجامید. با این وجود کسى انتظار ندارد که این لحظه‌ى کوتاه تبدیل به پر فروش‌ترین فیلم تابستانى شود، ولی می‌تواند در میان شیمی دان‌ها و زیست شناسان، تبدیل به یک فیلم پر طرف دار شود.
توضیح تصویر: شتاب دهنده‌ی ذرات ٢ر٣ کیلومترى (معادل ٢ مایل) و دستگاه لیزر الکترون آزاد واقع در دانشگاه استنفورد، از زاویه دید بالا، لنگرگاه سن فرانسیسکو در فاصله‌اى دورتر قابل مشاهده است. آزمایشگاه سرعت بخشى ملى SLAC .
براى مشاهده‌ى اتم‌هاى کوچک، به منبع نورى نیاز داریم که نور ساطع شده از آن، طول موج کمتر از اندازه‌ى اتم داشته باشد. طبق همین قوانین است که نور مرئى وجود دارد. طول موج این نورهای مرئی بسیار بزرگ است. با این وجود تنها پرتوى اشعهى ایکس است که طول موجى به این ریزى، جهت مشاهده‌ى اتم ها دارد.
لیزرها مى‌توانند روشن‌ترین، خاص‌ترین و ریزترین طول موج ممکن در نورها را داشته باشند. این دستگاه‌ها نورها را کنار هم، به صورتى قرار مى‌دهد که همگى با هم در یک جهت حرکت کنند. و هرچه لیزر پر نورتر باشد، مقدار بسته‌هاى نورى بیشترى در یک منطقه‌ى کوچک مى‌فرستد. اما برای فرستادن بسته‌هاى نورى زیاد با طول موج بسیار پایین، به لیزر بسیار بزرگى نیاز خواهیم داشت. یک آزمایشگاه ملى متعلق به دپارتمان انرژى، یکى از این دستگاه‌هاى غول‌پیکر را در در دانشگاه استنفورد پالو آلتو، کالیف ساخته است.
دستگاه در درون یک تونل زیرزمینى به طول ٢ر٣ کیلومتر قرار گرفته (٢ مایل). در یک تالار، کمى بزرگتر از یک زمین فوتبال، ٣٣ آهن‌رباى دستگاه لیزر، که هرکدام از آنها به اندازه‌ى یک ماشین کوچک مى‌باشند به الکترون‌ها کمک مى‌کنند که در تونلِ شتاب، سرعت بگیرند. (الکترون‌ها ذرات بسیار بسیار ریزى هستند که به دور هسته یا مرکز اتم در حال گردش هستند.) حرکت رفت و برگشتى الکترون‌ها، اشعه‌هاى ایکس را ایجاد مى‌کند.
یک سرى از لنزها، این پرتوهاى اشعهى ایکس را به یک پرتوى بسیار باریک، متمرکز مى‌کنند. وسایلى که در مسیر پرتو قرار دارد به دانشمندان این اجازه را مى‌دهد که، مواد مختلفى که در مسیر لیزر قرار دارد را با استفاده از لیزر از میان بردارند. یکى از این وسایل، یک ماشین تصویربر دارى مى‌باشد، که عملکرد آن شبیه دوربین فیلم بردارى مى‌باشد.
پرسیس درل، فیزیک‌دان استنفورد، که تا این اواخر مدیریت این آزمایشگاه را به عهده داشت، این گونه توضیح مى‌دهد: لیزر الکترون آزاد به ما این اجازه را مى‌دهد که دنیا را به شکلى که هیچ‌گاه ندیده بودیم، مشاهده کنیم.
توضیح تصویر: این تالار، قسمتى از پروژه‌ى لیزر الکترون آزاد در استنفورد مى‌باشد. آهن رباهاى غول‌آساى آن کمک مى‌کند پالس‌هاى قدرتمندى از نور اشعهى ایکس تولید شود.
پالس‌هاى ما فوق سریع لیزر، عمل کردى شبیه فلاش دوربین دارد. زمانى که یک عکاس از یک مرغ مگس‌خوار در حالت معلق در هوا عکس برداری مى‌کند، در اکثر مواقع بال‌هاى پرنده واضح نیستند. علت چیست؟ در زمان عکس بردارى بال‌هاى پرنده در حال حرکت مى‌باشند. اگر عکاس از فلاشى استفاده کند که مرغ مگس‌خوار را براى لحظه‌ى کوتاهى روشن کند، دوربین پرنده را به گونه‌اى ثبت مى‌کند که انگار در حال بال زدن منجمد شده است.
همانند بال‌هاى مرغ مگس‌خوار در حین پرواز، اتم‌ها و مولکول‌ها هم دائماً در حال حرکتند. براى مشاهده‌ى رقص گیج کننده‌ى آنها، در حالتى واضح و شفاف، دانشمندان به فلاشى نیاز دارند که از حرکت اتم‌ها سریع‌تر باشد.
یک لیزر الکترون آزاد این سرعت را دارد. انفجار ١٠٠ فمتو ثانیه‌اى، حتى حرکت یک اتم را نیز مى‌تواند منجمد کند. درل معتقد است این قابلیت دروازه‌هاى جدیدى را بر روى علم گشوده است. براى اولین بار دانشمندان مى‌توانند ببینند اتم‌ها چگونه حرکت مى‌کنند و این که در یک بازه‌ى زمانی چه حرکتى را انجام مى‌دهند.
با این وجود، این دوربین فیلم بردارى اتمى، مولکول‌هایى که در این فیلم، به عنوان نقش اول ایفاى نقش مى‌کنند را نابود مى‌کند.
توضیح تصویر: در این جا بال مرغ مگس‌خوار واضح به نظر نمى‌رسد. این به این معنا است که بال‌هاى پرنده این توانایى را داشته که در بازه‌ى زمانى گرفتن عکس، حرکت داشته باشد.
پس از گرفتن عکس از مرغ‌مگس‌خوار، پرنده فرار خواهد کرد. مولکول‌هایى که عکس آنها توسط لیزر الکترون آزاد گرفته مى‌شود، به اندازه‌ى مرغ مگس خوار خوش شانس نخواهد بود! اشعهى ایکس بسیار روشن لیزرى، این مولکول‌ها را سرخ مى‌کند (منظور، حرارت بسیار بالا و انتقال انرژى بسیار بالا مى‌باشد). ولى هنوز دانشمندان مى‌توانند چیزهاى زیادى را قبل از اینکه مولکول‌ها تجزیه شوند، از حرکت مولکول‌ها بیاموزند.
عکسى که در اول مقاله ملاحظه کردید، لحظه‌ى عبور گلوله از سیب را نشان مى‌دهد. این عکس، عکس معروفى است. جهت گرفتن این عکس، هارولد ادگرتون در انستیتوى فن‌آورى ماساچوست، در کمبریج، از نوعى فلاش خاص به نام بارقه (strobe) استفاده کرده است. در حقیقت، براى انجام این عمل، او لحظه‌ى کوتاهى قبل از منفجر شدن سیب را منجمد (freeze) کرده است. دانشمندان براى گرفتن عکس از هر چیزى توسط لیزر الکترون آزاد، باید لحظه‌ى بسیار کم‌ترى را در زمان عکس بردارى منجمد کنند.
دانشمندان به این تکنیک، "تحقیق قبل از نابودى" مى‌گویند. یک فیزیک دان به نام هنرى چپمن پیشگام این تکنیک مى‌باشد. از آن جایى که پرتوهاى اشعهى ایکس به صورت باور نکردنى سریع مى‌باشند، چپمن مى‌گوید "شما حتى قبل از این که خود جسم بداند چه بر سرش آمده است، تمام اطلاعات راجع به آن را به دست خواهید آورد." او در مرکز مطالعات لیزر الکترون آزاد در هامبورگ آلمان مشغول به فعالیت است.
چپمن اولین کسى بود که با استفاده از لیزر الکترون آزاد توانست از یک پروتئین جدید تصویر بردارى کند. (پروتئین‌ها مولکول‌هایى هستند که کوچک‌ترین ذره از ساختار حیات مى‌باشند.) مجله‌ى علم (science)، این کار چپمن را یکى از دستاوردهاى بسیار مهم سال ٢٠١٢ ارزیابى کرد.
ثبت یک لحظه از زمان مى‌تواند بسیار مهم باشد. ولى زمانى که دانشمندان این لحظات را پشت سر هم قرار مى‌دهند، نتیجه‌ى این کار بسیار پر معنا خواهد بود. پشت سر هم قرار گرفتن این لحظات، فیلمى را ایجاد مى‌کند که سرعت فوق العاده زیاد حرکت رقص گونه‌ى مولکول‌ها و اتم‌ها را نشان می‌دهد. این حرکت رقص گونه، اتفاق افتادن گام به گام واکنش هاى شیمیایى را نشان مى دهد.
شناخت عمل فوتوسنتز آن قدر حائز اهمیت است که شیمی دان‌هایى که از گام‌هاى کلیدى فوتوسنتز پرده بردارى کردند، در سال‌هاى ١٩٣٠ و ١٩٦١، برنده‌ى جایزه‌ى نوبل شدند. حتى تا امروز نیز برخى از جزئیات، به صورت یک راز باقى مانده است. براى مثال: این که چگونه گیاه مولکول‌هاى آب را مى‌شکند؟
چندین تیم از دانشمندان به سختى در حال تلاش براى یافتن پاسخ براى این پرسش‌ها مى‌باشند. در میان آنها جان کرن و همکارانش در لابراتوار ملى لارنس برکلى، در برکلى، ایالت کالیف مى‌باشند. آنها یک تانکر شیشه‌اى پر از باکترى را در آزمایشگاه خود نگه دارى مى‌کنند. دقیقاً همانند گیاهان، این میکروب‌ها هم از فوتوسنتز جهت تولید غذا استفاده مى‌کنند. گروه کرن در حال مطالعه روى پروتئین خاصى هستند که در درون این میکروب‌ها وجود دارد. به این پروتوئین فوتوسیستم ٢ اطلاق مى‌شود، این پروتئین است که در هنگام فوتوسنتز، مولکول‌هاى آب را مى‌شکند.
گروه کرن این پروتئین را از میکروب‌هایشان جدا کرده و آن را به صورت کریستال در مى‌آورد. در درون هر کریستال چندین و چند مولکول پروتئین در حالت بسیار منظمى، طبق یک الگو در کنار هم قرار گرفته‌اند. با کمک این الگو راحت‌تر مى‌توان چگونگى شکل‌گیرى مولکول‌ها را در حین یک واکنش، مشاهده کرد.
کرن این گونه تشریح مى‌کند "این کریستال‌ها شبیه کریستال‌هاى نمک نیستند که جامد باشند و هیچ عملی در درونشان انجام ندهند." این کریستال‌هاى پروتئینى هم چنان مى‌توانند عمل فوتوسنتز را انجام دهند. تنها چیزهایى که این کریستال‌هاى پروتئینى به آنها نیاز دارند عبارت از: نور، آب و دى اکسید کربن مى‌باشد.
کرن و همکارانش این کریستال‌ها را در آب شناور کرده و نور خاصى را به آنها مى‌تابانند. سپس با استفاده از لیزر الکترون آزاد، کریستال‌ها را منهدم مى‌کنند. دانشمندان مى‌دانند که چه زمانى، کدام گام فوتوسنتز در حال انجام شدن است. پس دانشمندان پالس‌هاى اشعهى ایکس را به صورتى زمان بندى مى‌کنند که عملیات انجام شده در هر گام را منجمد کرده و ثبت و ضبط کنند.
تا کنون این تیم از دو گام اولیه‌ى فرآیند شکست مولکول‌هاى آب در فوتوسنتز پرده بردارى کرده است. شیمی دانى به نام جونکو یانو که یکى از همکاران کرن مى‌باشد مى‌گوید: آن چه که پس از این دو گام با آن مواجه مى‌شویم، هیجان انگیزتر خواهد بود.
توضیح تصویر: اثر یک هنرمند، یک کریستال پروتئینى را (سبز رنگ) در حال برخورد توسط پالس اشعهى ایکس (بنفش رنگ) نشان مى‌دهد. این اثر به صورت هم زمان، دو گونه‌ى مختلف از داده‌ها را مهیا مى‌کند: کریستالو گرافى (الگوى نقاط تاریک پایین) و طیف سنجى (طیف‌هاى رنگارنگ در بالا). اثر گرگ استوارت، اسلک، آزمایشگاه شتاب‌دهى ملى.
زمانى که متخصصین از تمام گام‌ها با اشعهى ایکس، عکس بردارى کنند، فیلم متحرک آنها، براى نمایش دادن آماده خواهد شد. این به اصطلاح فیلم بردارى چیزى در حدود ٢ سال به طول خواهد انجامید، ولى امکان دارد که لیزر الکترون آزاد قادر به عکس بردارى از صحنه‌هاى پایانى نباشد. تیم مستقل دیگرى در زمینه‌ى فیلم سازى با اشعهى ایکس نیز در حال تحقیق راجع به فوتوسنتز مى‌باشند. یک دستگاه تقویت و تسریع ذرات باردار الکترونى، به شکل یک ساختمان دونات شکل بسیار بزرگ مى‌باشد که از آهن رباها جهت سرعت دادن به الکترون‌ها استفاده می‌کند تا جایى که این الکترون ها پرتوى اشعهى ایکس ایجاد کنند. جان هلیول مى‌گوید "رقابتى بسیار جالب مابین این دو فن‌آورى وجود دارد". جان هلیول یک شیمى‌دان در دانشگاه منچستر انگلیس مى‌باشد که در این تحقیقات سهیم نمى‌باشد.
چرا دانستن چگونگى عمل کرد فوتو سنتز این مقدار حائز اهمیت است؟ افراد براى باز سازى آزمایشگاهى این که گیاهان دقیقاً چه عملى انجام مى‌دهند، سختى‌هاى زیادى کشیده‌اند و از هیچ تلاشى دریغ نکرده‌اند. براى مثال شیمی دانان زیادى بوده‌اند که دهه‌ها وقت صرف کرده‌اند تا برگ مصنوعى بسازند. هدف این فن‌آورى تبدیل نور خورشید به یک منبع سوختى قابل برداشت و مصرف، مانند هیدروژن است.
تاکنون، تمام تلاش‌ها بیشتر انرژى مصرف کرده‌اند تا انرژى تولید کرده باشند یا منجر به مصرف مواد بسیار گران و یا ناپایدارى شده‌اند. کرن معتقد است "ولى یک برگ مصنوعى که به صورت مؤثرى هیدروژن را فقط با مصرف آب و نور خورشید تولید کند، مشکل کم بود انرژى در دنیا را برطرف خواهد کرد"، سپس او ادامه داد "از هیدروژن مى‌توان در سلول‌هاى سوختى جهت نیروى رانش اتومبیل‌ها و یا گرم کردن خانه‌ها استفاده کرد."
تعداد دانشمندانى که مى‌خواهند از این ابزار فوق پیش رفته استفاده کنند، بسیار بیشتر از فضایى است که این آزمایشگاه‌ها در یک زمان، مى‌تواند گنجایش داشته باشند. درل مى‌گوید "به اندازه‌ی کافی افرادی که بتوانند آزمایش‌ها را انجام دهند وجود ندارند."
در سال ٢٠١٥ دانشمندان یک دستگاه لیزر الکترون آزاد در آلمان راه اندازى خواهند کرد. انتظار مى‌رود این دستگاه پالس‌هاى اشعهى ایکسى با ١٠ برابر سرعت پالس‌هاى اشعهى ایکس در کالیفرنیا تولید کند. یک چنین آزمایشگاه‌هایى در سویس و کره در حال ساخت مى‌باشند. درل مى‌گوید "نمى‌توانیم صبر کنیم (با اشتیاق زیادى منتظر این لحظه هستیم)".
هنوز هم طبیعت اسرار زیادى در خود پنهان کرده است. لیزرهاى الکترون آزاد بیشتر، مى‌توانند به پرسش‌هاى اسرار آمیز بسیار زیادى در مورد علم شیمى و آن چه درون هر چیزى اتفاق مى‌افتد، از جمله خود ما، پاسخ دهد.
اگر از دریچه‌ى میکروسکوپ به درون یک قطره‌ى آب دریاچه نگاهى بیاندازید، مى‌توانید موجودات ریزى که به آنها آمیب اطلاق مى‌شود یا دیگر میکروب‌ها که به سرعت در حال شنا کردن هستند را ببینید. اگرچه ممکن است بسیار ریز باشند، ولى ارگانیسم آنها بسیار بزرگ است، اگر بدن آن ها را ساختمان‌هاى عظیم تصور کنیم، ارگانیسم‌هاى آن ها شبیه غول‌هاى بزرگ خواهند بود - یک اتم یا گروهى از اتم‌ها که در آن، اتم‌ها با هم پیوند دارند را مولکول مى‌گوییم.
اتم‌ها و مولکول‌ها در هر نقطه‌اى از این دنیا در حال رقصیدنند – از بدن سنجاب‌ها گرفته تا ابرها و از کره‌ى بادام زمینى گرفته تا تایر دوچرخه‌ها. این حرکت‌هاى ریز رفت و برگشتى و این جهش‌ها در واکنش‌هاى شیمیایى و فرآیندهاى دیگر، نقش به سزایى را بازى مى‌کنند و ما را قادر به ادامه حیات می‌سازند.
واکنش‌هاى شیمیایى پیوندهاى بین اتمى را شکسته یا این پیوندها را به وجود مى‌آورند. دانشمندان علاقه دارند که مشاهده‌گر این واکنش‌ها از نزدیک باشند. براى اینکه بتوان این واکنش‌ها را از نزدیک دید، دانشمندان در حال تهیه‌ى فیلم‌هایى مى‌باشند. به‌جاى مستند سازى راجع به شیرها و یا رقصنده‌هاى بریک دنس، این کارگردانان فیلم‌هاى مستند، علاقه دارند که از حرکات مولکول‌ها فیلم بردارى کنند. تصاویر متحرک این فیلمها مى‌تواند تصویرى با بیشترین جزئیات از دنیاى شیمى را در اختیار ما بگذارد.
اما گرفتن تصاویر از فوتو سنتز کار آسانى نیست. مولکول‌ها به صورت رندم، آن قدر سریع حرکت مى‌کنند که نمی‌توان آنها را با میکروسکوپ مشاهده کرد. خوش بختانه یک لیزر پر قدرت - که به صورت یک چراغ قوه‌ى خاص عمل مى‌کند - مى‌تواند به ما کمک کند این چراغ قوه‌ى لیزرى ساطع کننده‌ى اشعهى ایکس مى‌باشد.
با کمک این دستگاه، اخیراً از مولکول‌هاى داخل گیاهان و تعدادى از جلبک‌ها، در حال رقص والتز فیلم بردارى شده است. (رقص والتز به رقصى مى‌گویند که دو نفره بوده و دو نفر در زمین رقص به دور یکدیگر مى‌چرخند). فیلم بردارى این پروژه با نام "فیلم فوتو سنتز" سال‌ها به طول خواهد انجامید. با این وجود کسى انتظار ندارد که این لحظه‌ى کوتاه تبدیل به پر فروش‌ترین فیلم تابستانى شود، ولی می‌تواند در میان شیمی دان‌ها و زیست شناسان، تبدیل به یک فیلم پر طرف دار شود.
اولین چالش: نور پردازى مناسب
فقط زمانى که روشنایى به مقدار کافى باشد، یک پرتوى اشعهى ایکس مى‌تواند مولکول‌ها و اتم‌ها را در کانون قرار دهد. براى کمک به دانشمندان جهت تهیه فیلم از حرکت اتم‌ها، باید اشعهى ایکس میلیون‌ها و شاید میلیاردها بار روشن تر از اشعهى ایکسى باشد که دستگاه‌هاى اشعهى ایکس پزشکى از حود ساطع مى‌کنند. کارت برنده‌ى پر نورترین پرتوى اشعهى ایکس متعلق است به دستگاهى به نام دستگاه لیزر الکترون آزاد.
چرا اشعه‌هاى ایکس
دانشمندان علاقه دارند نورها را نه بر اساس رنگ، هم چون قرمز، بلکه بر اساس نوع آنها توضیح دهند، مانند نورهاى مرئى، دانشمندان بیشتر نورها را بر اساس طول موجشان تشریح مى‌کنند. هرچه انرژى نور بیشتر باشد طول موج آن کاهش مىیابدبراى مشاهده‌ى اتم‌هاى کوچک، به منبع نورى نیاز داریم که نور ساطع شده از آن، طول موج کمتر از اندازه‌ى اتم داشته باشد. طبق همین قوانین است که نور مرئى وجود دارد. طول موج این نورهای مرئی بسیار بزرگ است. با این وجود تنها پرتوى اشعهى ایکس است که طول موجى به این ریزى، جهت مشاهده‌ى اتم ها دارد.
لیزرها مى‌توانند روشن‌ترین، خاص‌ترین و ریزترین طول موج ممکن در نورها را داشته باشند. این دستگاه‌ها نورها را کنار هم، به صورتى قرار مى‌دهد که همگى با هم در یک جهت حرکت کنند. و هرچه لیزر پر نورتر باشد، مقدار بسته‌هاى نورى بیشترى در یک منطقه‌ى کوچک مى‌فرستد. اما برای فرستادن بسته‌هاى نورى زیاد با طول موج بسیار پایین، به لیزر بسیار بزرگى نیاز خواهیم داشت. یک آزمایشگاه ملى متعلق به دپارتمان انرژى، یکى از این دستگاه‌هاى غول‌پیکر را در در دانشگاه استنفورد پالو آلتو، کالیف ساخته است.
دستگاه در درون یک تونل زیرزمینى به طول ٢ر٣ کیلومتر قرار گرفته (٢ مایل). در یک تالار، کمى بزرگتر از یک زمین فوتبال، ٣٣ آهن‌رباى دستگاه لیزر، که هرکدام از آنها به اندازه‌ى یک ماشین کوچک مى‌باشند به الکترون‌ها کمک مى‌کنند که در تونلِ شتاب، سرعت بگیرند. (الکترون‌ها ذرات بسیار بسیار ریزى هستند که به دور هسته یا مرکز اتم در حال گردش هستند.) حرکت رفت و برگشتى الکترون‌ها، اشعه‌هاى ایکس را ایجاد مى‌کند.
یک سرى از لنزها، این پرتوهاى اشعهى ایکس را به یک پرتوى بسیار باریک، متمرکز مى‌کنند. وسایلى که در مسیر پرتو قرار دارد به دانشمندان این اجازه را مى‌دهد که، مواد مختلفى که در مسیر لیزر قرار دارد را با استفاده از لیزر از میان بردارند. یکى از این وسایل، یک ماشین تصویربر دارى مى‌باشد، که عملکرد آن شبیه دوربین فیلم بردارى مى‌باشد.
پرسیس درل، فیزیک‌دان استنفورد، که تا این اواخر مدیریت این آزمایشگاه را به عهده داشت، این گونه توضیح مى‌دهد: لیزر الکترون آزاد به ما این اجازه را مى‌دهد که دنیا را به شکلى که هیچ‌گاه ندیده بودیم، مشاهده کنیم.
منجمد کردن و سرخ کردن
روشنایى بیش از اندازه زیاد لیزر تنها نکته‌ى جالب این نور با طول موج پایین نمى‌باشد. اشعه‌هاى ایکس این لیزر نیز با سرعت باورنکردنى مانند فلاش، روشن و خاموش مى‌شود. هر فلاش در حدود ١٠٠ فمتو ثانیه به طول مى‌انجامد، هر یک فمتو ثانیه برابر با نسبت یک به هزار به توان پنج است. اگر بخواهیم مقایسه‌اى انجام دهیم، یک چشم به هم زدن، یک میلیون برابر طولانى‌تر است
پالس‌هاى ما فوق سریع لیزر، عمل کردى شبیه فلاش دوربین دارد. زمانى که یک عکاس از یک مرغ مگس‌خوار در حالت معلق در هوا عکس برداری مى‌کند، در اکثر مواقع بال‌هاى پرنده واضح نیستند. علت چیست؟ در زمان عکس بردارى بال‌هاى پرنده در حال حرکت مى‌باشند. اگر عکاس از فلاشى استفاده کند که مرغ مگس‌خوار را براى لحظه‌ى کوتاهى روشن کند، دوربین پرنده را به گونه‌اى ثبت مى‌کند که انگار در حال بال زدن منجمد شده است.
همانند بال‌هاى مرغ مگس‌خوار در حین پرواز، اتم‌ها و مولکول‌ها هم دائماً در حال حرکتند. براى مشاهده‌ى رقص گیج کننده‌ى آنها، در حالتى واضح و شفاف، دانشمندان به فلاشى نیاز دارند که از حرکت اتم‌ها سریع‌تر باشد.
یک لیزر الکترون آزاد این سرعت را دارد. انفجار ١٠٠ فمتو ثانیه‌اى، حتى حرکت یک اتم را نیز مى‌تواند منجمد کند. درل معتقد است این قابلیت دروازه‌هاى جدیدى را بر روى علم گشوده است. براى اولین بار دانشمندان مى‌توانند ببینند اتم‌ها چگونه حرکت مى‌کنند و این که در یک بازه‌ى زمانی چه حرکتى را انجام مى‌دهند.
با این وجود، این دوربین فیلم بردارى اتمى، مولکول‌هایى که در این فیلم، به عنوان نقش اول ایفاى نقش مى‌کنند را نابود مى‌کند.
پس از گرفتن عکس از مرغ‌مگس‌خوار، پرنده فرار خواهد کرد. مولکول‌هایى که عکس آنها توسط لیزر الکترون آزاد گرفته مى‌شود، به اندازه‌ى مرغ مگس خوار خوش شانس نخواهد بود! اشعهى ایکس بسیار روشن لیزرى، این مولکول‌ها را سرخ مى‌کند (منظور، حرارت بسیار بالا و انتقال انرژى بسیار بالا مى‌باشد). ولى هنوز دانشمندان مى‌توانند چیزهاى زیادى را قبل از اینکه مولکول‌ها تجزیه شوند، از حرکت مولکول‌ها بیاموزند.
عکسى که در اول مقاله ملاحظه کردید، لحظه‌ى عبور گلوله از سیب را نشان مى‌دهد. این عکس، عکس معروفى است. جهت گرفتن این عکس، هارولد ادگرتون در انستیتوى فن‌آورى ماساچوست، در کمبریج، از نوعى فلاش خاص به نام بارقه (strobe) استفاده کرده است. در حقیقت، براى انجام این عمل، او لحظه‌ى کوتاهى قبل از منفجر شدن سیب را منجمد (freeze) کرده است. دانشمندان براى گرفتن عکس از هر چیزى توسط لیزر الکترون آزاد، باید لحظه‌ى بسیار کم‌ترى را در زمان عکس بردارى منجمد کنند.
دانشمندان به این تکنیک، "تحقیق قبل از نابودى" مى‌گویند. یک فیزیک دان به نام هنرى چپمن پیشگام این تکنیک مى‌باشد. از آن جایى که پرتوهاى اشعهى ایکس به صورت باور نکردنى سریع مى‌باشند، چپمن مى‌گوید "شما حتى قبل از این که خود جسم بداند چه بر سرش آمده است، تمام اطلاعات راجع به آن را به دست خواهید آورد." او در مرکز مطالعات لیزر الکترون آزاد در هامبورگ آلمان مشغول به فعالیت است.
چپمن اولین کسى بود که با استفاده از لیزر الکترون آزاد توانست از یک پروتئین جدید تصویر بردارى کند. (پروتئین‌ها مولکول‌هایى هستند که کوچک‌ترین ذره از ساختار حیات مى‌باشند.) مجله‌ى علم (science)، این کار چپمن را یکى از دستاوردهاى بسیار مهم سال ٢٠١٢ ارزیابى کرد.
ثبت یک لحظه از زمان مى‌تواند بسیار مهم باشد. ولى زمانى که دانشمندان این لحظات را پشت سر هم قرار مى‌دهند، نتیجه‌ى این کار بسیار پر معنا خواهد بود. پشت سر هم قرار گرفتن این لحظات، فیلمى را ایجاد مى‌کند که سرعت فوق العاده زیاد حرکت رقص گونه‌ى مولکول‌ها و اتم‌ها را نشان می‌دهد. این حرکت رقص گونه، اتفاق افتادن گام به گام واکنش هاى شیمیایى را نشان مى دهد.
اسرار فوتوسنتز
عمل فوتوسنتز، واکنشى است که ستاره‌ى فیلم لیزر اشعهى ایکس مى‌باشد. در این واکنش، یک گیاه دى اکسید کربن و آب را جذب مى‌کند. پروتئین داخل گیاه فرآیند بسیار پیچیده‌اى را انجام مى‌دهد تا مولکول‌هاى آب را جدا کند. اتم‌هاى آزاد شده در خلق قندى که گیاه براى رشد به آن نیاز دارد مورد استفاده قرار خواهند گرفت. در طى این مسیر، این فرآیند اکسیژن و مواد زائد نیز تولید مى کند. (این تولید اکسیژن براى ما مفید است زیرا که ما انسان‌ها و حیوانات براى تنفس به اکسیژن نیاز داریم.)شناخت عمل فوتوسنتز آن قدر حائز اهمیت است که شیمی دان‌هایى که از گام‌هاى کلیدى فوتوسنتز پرده بردارى کردند، در سال‌هاى ١٩٣٠ و ١٩٦١، برنده‌ى جایزه‌ى نوبل شدند. حتى تا امروز نیز برخى از جزئیات، به صورت یک راز باقى مانده است. براى مثال: این که چگونه گیاه مولکول‌هاى آب را مى‌شکند؟
چندین تیم از دانشمندان به سختى در حال تلاش براى یافتن پاسخ براى این پرسش‌ها مى‌باشند. در میان آنها جان کرن و همکارانش در لابراتوار ملى لارنس برکلى، در برکلى، ایالت کالیف مى‌باشند. آنها یک تانکر شیشه‌اى پر از باکترى را در آزمایشگاه خود نگه دارى مى‌کنند. دقیقاً همانند گیاهان، این میکروب‌ها هم از فوتوسنتز جهت تولید غذا استفاده مى‌کنند. گروه کرن در حال مطالعه روى پروتئین خاصى هستند که در درون این میکروب‌ها وجود دارد. به این پروتوئین فوتوسیستم ٢ اطلاق مى‌شود، این پروتئین است که در هنگام فوتوسنتز، مولکول‌هاى آب را مى‌شکند.
گروه کرن این پروتئین را از میکروب‌هایشان جدا کرده و آن را به صورت کریستال در مى‌آورد. در درون هر کریستال چندین و چند مولکول پروتئین در حالت بسیار منظمى، طبق یک الگو در کنار هم قرار گرفته‌اند. با کمک این الگو راحت‌تر مى‌توان چگونگى شکل‌گیرى مولکول‌ها را در حین یک واکنش، مشاهده کرد.
کرن این گونه تشریح مى‌کند "این کریستال‌ها شبیه کریستال‌هاى نمک نیستند که جامد باشند و هیچ عملی در درونشان انجام ندهند." این کریستال‌هاى پروتئینى هم چنان مى‌توانند عمل فوتوسنتز را انجام دهند. تنها چیزهایى که این کریستال‌هاى پروتئینى به آنها نیاز دارند عبارت از: نور، آب و دى اکسید کربن مى‌باشد.
کرن و همکارانش این کریستال‌ها را در آب شناور کرده و نور خاصى را به آنها مى‌تابانند. سپس با استفاده از لیزر الکترون آزاد، کریستال‌ها را منهدم مى‌کنند. دانشمندان مى‌دانند که چه زمانى، کدام گام فوتوسنتز در حال انجام شدن است. پس دانشمندان پالس‌هاى اشعهى ایکس را به صورتى زمان بندى مى‌کنند که عملیات انجام شده در هر گام را منجمد کرده و ثبت و ضبط کنند.
تا کنون این تیم از دو گام اولیه‌ى فرآیند شکست مولکول‌هاى آب در فوتوسنتز پرده بردارى کرده است. شیمی دانى به نام جونکو یانو که یکى از همکاران کرن مى‌باشد مى‌گوید: آن چه که پس از این دو گام با آن مواجه مى‌شویم، هیجان انگیزتر خواهد بود.
زمانى که متخصصین از تمام گام‌ها با اشعهى ایکس، عکس بردارى کنند، فیلم متحرک آنها، براى نمایش دادن آماده خواهد شد. این به اصطلاح فیلم بردارى چیزى در حدود ٢ سال به طول خواهد انجامید، ولى امکان دارد که لیزر الکترون آزاد قادر به عکس بردارى از صحنه‌هاى پایانى نباشد. تیم مستقل دیگرى در زمینه‌ى فیلم سازى با اشعهى ایکس نیز در حال تحقیق راجع به فوتوسنتز مى‌باشند. یک دستگاه تقویت و تسریع ذرات باردار الکترونى، به شکل یک ساختمان دونات شکل بسیار بزرگ مى‌باشد که از آهن رباها جهت سرعت دادن به الکترون‌ها استفاده می‌کند تا جایى که این الکترون ها پرتوى اشعهى ایکس ایجاد کنند. جان هلیول مى‌گوید "رقابتى بسیار جالب مابین این دو فن‌آورى وجود دارد". جان هلیول یک شیمى‌دان در دانشگاه منچستر انگلیس مى‌باشد که در این تحقیقات سهیم نمى‌باشد.
چرا دانستن چگونگى عمل کرد فوتو سنتز این مقدار حائز اهمیت است؟ افراد براى باز سازى آزمایشگاهى این که گیاهان دقیقاً چه عملى انجام مى‌دهند، سختى‌هاى زیادى کشیده‌اند و از هیچ تلاشى دریغ نکرده‌اند. براى مثال شیمی دانان زیادى بوده‌اند که دهه‌ها وقت صرف کرده‌اند تا برگ مصنوعى بسازند. هدف این فن‌آورى تبدیل نور خورشید به یک منبع سوختى قابل برداشت و مصرف، مانند هیدروژن است.
تاکنون، تمام تلاش‌ها بیشتر انرژى مصرف کرده‌اند تا انرژى تولید کرده باشند یا منجر به مصرف مواد بسیار گران و یا ناپایدارى شده‌اند. کرن معتقد است "ولى یک برگ مصنوعى که به صورت مؤثرى هیدروژن را فقط با مصرف آب و نور خورشید تولید کند، مشکل کم بود انرژى در دنیا را برطرف خواهد کرد"، سپس او ادامه داد "از هیدروژن مى‌توان در سلول‌هاى سوختى جهت نیروى رانش اتومبیل‌ها و یا گرم کردن خانه‌ها استفاده کرد."
تعداد علوم، زیاد، تعداد لیزرها، کم
لیزر الکترون آزاد مى‌تواند از برخى از کوچک‌ترین، ریزترین و مهم‌ترین فرآیندهاى دنیا پرده بردارى کند، متأسفانه تعداد زیادى از این لیزرهاى اشعهى ایکس وجود ندارد. امروز، تنها دو دستگاه سر پا و در حال فعالیت مى‌باشند: یکى در استنفورد و دیگرى در آزمایشگاه ریکن هاریما در ژاپن. این آزمایشگاه‌ها فضاى کمى داشته و تنها براى اسکان دادن به تعداد کمى از گروه‌هاى تحقیقاتى به صورت هم زمان، جا دارد.تعداد دانشمندانى که مى‌خواهند از این ابزار فوق پیش رفته استفاده کنند، بسیار بیشتر از فضایى است که این آزمایشگاه‌ها در یک زمان، مى‌تواند گنجایش داشته باشند. درل مى‌گوید "به اندازه‌ی کافی افرادی که بتوانند آزمایش‌ها را انجام دهند وجود ندارند."
در سال ٢٠١٥ دانشمندان یک دستگاه لیزر الکترون آزاد در آلمان راه اندازى خواهند کرد. انتظار مى‌رود این دستگاه پالس‌هاى اشعهى ایکسى با ١٠ برابر سرعت پالس‌هاى اشعهى ایکس در کالیفرنیا تولید کند. یک چنین آزمایشگاه‌هایى در سویس و کره در حال ساخت مى‌باشند. درل مى‌گوید "نمى‌توانیم صبر کنیم (با اشتیاق زیادى منتظر این لحظه هستیم)".
هنوز هم طبیعت اسرار زیادى در خود پنهان کرده است. لیزرهاى الکترون آزاد بیشتر، مى‌توانند به پرسش‌هاى اسرار آمیز بسیار زیادى در مورد علم شیمى و آن چه درون هر چیزى اتفاق مى‌افتد، از جمله خود ما، پاسخ دهد.
/ج