تغییر رنگ نور ساطع شده از مولکول‌های کایرال تعیین کننده‌ی میزان کایرالیتی این مولکول‌ها

چکیده:
بعد از 40 سال تحقیقات فیزیکدانان در سراسر جهان، اثر فیزیکی جدیدی کشف شد که این اثر می‌تواند منجر به بروز پیشرفت‌هایی در راندمان تولید شیمیایی، کوچک سازی و کنترل کیفیت برخی داروهای خاص گردد. حساسیت این تکنیک 100000 برابر بیشتر از روش‌های استانداردی بوده که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تعداد کلمات: 1040 / تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه

                                                                                                                                                                                                                                   مترجم: سهیلا حاجی زاده

بعد از 40 سال تحقیقات فیزیکدانان در سراسر جهان، اثر فیزیکی جدیدی کشف شد که این اثر می‌تواند منجر به بروز پیشرفت‌هایی در راندمان تولید شیمیایی، کوچک سازی و کنترل کیفیت برخی داروهای خاص گردد.
برای اولین بار، تیم تحقیقاتی بخش فیزیک قادر به استفاده از یک اثر فیزیکی یعنی تغییر رنگ نور ساطع شده از مولکول‌های کایرال جهت اندازه گیری وجود کایرالیتی با تایید پیش بینی کارهای نظری در دهه 1970 گردید. حساسیت این تکنیک 100000 برابر بیشتر از روش‌های استانداردی بوده که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کایرالیتی جهت گیری مولکول‌ها را شرح داده که این جهت گیری می‌تواند در جهات چپ یا راست، بسته به نحوه‌ی پیچ و تاب آن‌ها در سه بُعد وجود داشته باشد. بسیاری از مولکول‌های ضروری برای زندگی از جمله DNA، آمینو اسیدها و پروتئین‌ها دارای ویژگی‌های کایرالیتی بوده و این ویژگی در مجموع می‌تواند عملکرد یا ویژگی‌های کلی مولکول را تغییر دهد. بنابراین، آگاهی از کایرالیتی یک ماده اغلب از اهمیت بالایی برخوردار است. یک مولکول کایرال  نوعی از مولکول است که تصویر آینه‌ای انطباق ناپذیر بر خود دارد. حضور یک اتم کربن نامتقارن (کربن کایرال) غالبا آن ویژگی است که سبب ایجاد کایرالی در مولکولها می‌شود. موجودات غیر کایرال ، همانند اتم‌ها، متقارن بوده و با تصویر آینه‌ای خود یکسانند.  بسیاری از مولکول‌های ضروری برای زندگی از جمله DNA، آمینو اسیدها و پروتئین‌ها دارای ویژگی‌های کایرالیتی بوده و این ویژگی در مجموع می‌تواند عملکرد یا ویژگی‌های کلی مولکول را تغییر دهد.

دست انسان شاید شناخته شده‌ترین مثال کایرالی در جهان باشد: دست چپ، تصویر آینه‌ای انطباق ناپذیر دست راست است؛ صرف نظر از نحوه چرخیدن دست‌ها، غیرممکن است که ویژگی‌های اساسی آن‌ها برهم منطبق شود. این اختلاف در تقارن زمانی آشکار می‌شود که دستکش مربوط به دست چپ، بر روی دست راست قرار گیرد.

برای چندین دهه، دانشمندان تلاش‌هایی را به منظور تعیین دقیق کایرالیتی مولکول‌ها با اندازه گیری اثر تغییر رنگ (غیرخطی) بر روشنایی با نور پیچ خورده انجام دادند. به صورت تئوری، نور پیچ خورده می تواند رنگ را تغییر داده و سپس متفاوت از مولکول‌های دیگر نور را پراکنده سازد. اما این اثر تاکنون هرگز به صورت تجربی نشان داده نشده است.

دکتر ونتسیلوا والو که رهبر یک گروه تحقیقاتی در بخش فیزیک دانشگاه بات بود، عنوان کرد که "ما اثر فیزیکی جدیدی را نشان دادیم که قبلا کشف نشده بود و با پژوهش‌های گسترده به این موضوع پی بردیم".
ما حدود 13 سال پیش همراه با پروفسور تیری وربیست در بلژیک شروع به تفکر در  در زمینه این مشکل کردیم. از آن‌جا که این اثر بسیار ناخوشایند و مضر است، من به دنبال یافتن راه حلی به منظور توسعه‌ی یک سیستم آزمایشی بسیار حساس در این زمینه بودم و پی  بردم که نیمی از راه حل این مشکل توسعه ی یک سیستم تجربی بسیار حساس می باشد، به همین دلیل به مدت چندین سال شروع به انجام کارهایی پژوهشی در این زمینه کردم و نیمی از راه حل دیگر این مشکل یافتن نمونه‌های درست در این زمینه بود و به دنبال این بررسی‌ها از چشمه‌های نقره در مقیاس نانوسکوپی (مارپیچ های نانو) ساخته شده توسط گروه فیشر در موسسه‌ی ماکس پلانک برای سیستم‌های هوشمند در اشتوتگارت آلمان استفاده کردم. 
از آن‌جا که این اثر بسیار ناخوشایند و مضر است، من به دنبال یافتن راه حلی به منظور توسعه‌ی یک سیستم آزمایشی بسیار حساس در این زمینه بودم و پی  بردم که نیمی از راه حل این مشکل توسعه ی یک سیستم تجربی بسیار حساس می باشد،
جوئل کولین دانشجوی دکترا در حال اجراء مجموعه‌ای از آزمایشات بر روی این چشمه‌ها به نتایج باور نکردنی دست یافت.

این محقق بیان کرد که: ما آزمایشاتی را به منظور تضمین اثر واقعی انجام دادیم و همراه با همکارم دکتر کرستین روسیماوا متوجه شدیم که این اثر به صورت واقعی وجود دارد و تصور ما بر این است که اثری جالب بوده که نیازمند بررسی می‌باشد و به دنبال بررسی این اثر صرفا از غلظت‌های پایین نانوذرات مارپیچی برای این کار استفاده کردیم. تا قبل از آن، من واقعا به اهمیت این اثر پی نبرده بودم و منتظر بودم که با کمک او بتوانم به بررسی این اثر بپردازم، با گذشت زمان و پس از انجام بررسی‌های مستمر به نتایج فوق العاده‌ای در این زمینه دست پیدا کردم.

در واقع هندسه‌ی این آزمایش بسیار ساده است، نانو اسپرینگ‌ها را در درون ظرف شیشه‌ای و به صورت پراکنده در آب پخش کردیم. سپس یک لیزر را به درون این ظرف هدایت کردیم. پیچش یا پلاریزاسیون دایره‌ای لیزر به صورت دوره‌ای تعویض شد و نور ساطع شده از ظرف با زاویه 90 درجه را به منظور تعیین کایرالیتی اسپرینگ‌های موجود مورد آنالیز قرار دادیم. این پژوهش در بررسی‌های فیزیکی پرتو X منتشر شد.

دکتر والو اضافه کرد که در طی 40 سال، افرادی که در این زمینه پژوهش می‌کردند، به موفقیت قابل توجهی دست پیدا نکردند. این نظریه بسیار عجیب و بحث برانگیز است، برخی محققان تصور می‌کردند که احتمالا وقوع چنین اثری غیرممکن است، در حالی‌که برخی دیگر از محققان به وقوع این پدیده اطمینان داشتند.
به مدت 200 سال، دانشمندان از همین روش جهت اندازه گیری خواص کایرالیتی استفاده می‌کردند. این روش حساسیت چندانی ندارد، اما روشی قوی و ساده بوده، با این‌حال اندازه گیری دقیق کایرالیتی به دلیل ارائه‌ی نتایج مثبت کاذب به مشکلی بزرگ برای نانوتکنولوژی کایرال ساخته دست انسان تبدیل شده است.
در حال حاضر، ما روشی را به کار می‌گیریم که دارای حساسیت 100000 برابری بوده و نتایج مثبت کاذبی را نیز ارائه نمی‌کند. اخیرا، نوع جدیدی از فرایند ایجاد فرایند تولید روش‌های جدید در حال ظهور می‌باشد. این روش به "آزمایشگاه روی تراشه" معروف بوده و اثر ما به خوبی با این روش سازگار می‌باشد.
یک تست حساس‌تر در این زمینه شامل استفاده از مقادیر پایین‌تر در کنترل کیفیت و کاهش ضایعات بوده و این روش در تولید مواد شیمیایی و دارویی و همچنین در تولید سیالات ریز، در کوچک سازی مواد و جهت توسعه‌ی فناوری‌های دارویی شخصی کاربرد دارد.
منابع لیزر پیشرفته، تجهیزات تشخیص حساس و تکنیک‌های به روز ساخت مواد نانو همگی همراه با هم امکان انجام مشاهدات تجربی اثر جدید را فراهم می‌آورند.
پروفسور دیوید آندور از دانشگاه شرق انگلستان حدود 40 سال پیش این اثر را به صورت تئوری مطرح کرد. این محقق بیان کرد که کارهای پیشگام دکتر والف یک دستاورد بسیار مهم و هوشمندانه بوده، چون نوعی از تکنیک را به کار برد که قبلا هرگز مورد بررسی قرار گرفته نشده بود و این تئوری را اولین بار حدود 40 سال پیش تحقق بخشید.
نتایج این محقق به عنوان مسیری کارگشا برای همه‌ی نظریه پردازان مطرح به کار گرفته شد.
بعد از آن، محققان با استفاده از یافته‌های این محققان اقدام به تشخیص مولکول‌های کایرال و توسعه‌ی کاربردهای فنی این تکنیک‌ها کردند.