Instytut Chemii Fizycznej

   Polskiej Akademii Nauk

 

adres:       ul. Kasprzaka 44/52 

                01-224 Warszawa

 

tel.:          +48 22 3432000

fax/tel.:     +48 22 3433333, 6325276

 

email:        ichf@ichf.edu.pl

WWW:      http://www.ichf.edu.pl/

 

 

 

 

Warszawa, 21 grudnia 2010

 

 

 

Więcej da się zrobić szybciej i łatwiej niż mniej - w świecie kwantów

 

 

            W świecie zjawisk kwantowych nic nie jest oczywiste. Już kilka lat temu

            w Instytucie Chemii Fizycznej PAN odkryto zaskakujący fakt: dwa atomy wodoru

            w centralnej części cząsteczki porficenu przemieszczają się łatwiej i szybciej razem

            niż każdy z osobna. Dopiero teraz naukowcom udało się znaleźć odpowiedź

            na pytanie, dlaczego tak się dzieje. Otrzymane wyniki mają nie tylko znaczenie

            poznawcze, ale również mogą zostać użyte w nowoczesnych terapiach

            medycznych, w tym do zwalczania nowotworów.

 

 

W Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie od kilkunastu lat bada się pochodne porfiryny, substancji obecnej m.in. w ludzkiej krwi. Jedną z nich jest porficen C20H14N4. Cząsteczki tego związku mają postać płaskiego pierścienia węglowego, z atomami wodoru na zewnątrz i czterema atomami azotu wewnątrz. W pustej przestrzeni w centrum cząsteczki znajdują się dwa atomy wodoru, ciągle tunelujące między atomami azotu. Pomiary przeprowadzone technikami opracowanymi w IChF PAN pozwoliły uchwycić te ultraszybkie procesy. Ku zdziwieniu naukowców okazało się, że oba wewnętrzne atomy wodoru tunelują łatwiej i szybciej, gdy robią to jednocześnie. "Zakończona niedawno kolejna seria doświadczeń pozwoliła nam opracować model teoretyczny wyjaśniający istotę tego zaskakującego zjawiska. Przy okazji zidentyfikowaliśmy odmiany porficenu o właściwościach ważnych w zastosowaniach medycznych" - mówi prof. dr hab. Jacek Waluk z Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

 

Mechanizm tunelowania wyjaśnia, dlaczego obiekty kwantowe potrafią pokonać bariery potencjału bez konieczności zdobywania energii. "Wyobraźmy sobie, że stoimy przed ścianą. Aby przedostać się za nią, powinniśmy najpierw zgromadzić energię, która pozwoli wspiąć się na ścianę. Cząstka kwantowa potrafi jednak po prostu zniknąć po jednej stronie ściany i pojawić się po drugiej" - opisuje dr Piotr Fita z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

 

"Już samo pytanie, czy w porficenie tunelują całe atomy wodoru czy same protony, wzbudza wiele emocji w środowisku naukowym" - mówi prof. Waluk. Atom wodoru składa się z protonu oraz znajdującego się wokół niego elektronu. Gdy wodór staje się fragmentem cząsteczki, elektron ten dołącza do jej chmury elektronowej (pełni ona rolę kleju utrzymującego razem jądra atomowe). Tunelowanie protonu oznaczałoby, że gęstość elektronów w chmurze po zakończeniu procesu pozostałaby niezmieniona. Gdyby tunelował cały atom wodoru, elektron powinien podążyć za protonem. "Rzeczywistość zwykle nie jest ani taka, ani taka" - wyjaśnia prof. Waluk. "Gdy proton tuneluje w cząsteczce, podąża za nim tylko część gęstości elektronu w chmurze".

 

Cząsteczka porficenu może drgać na 108 sposobów. Już wcześniej naukowcy z IChF pokazali, że w zależności od stanu oscylacyjnego cząsteczki, tunelowanie protonów może przebiegać szybciej lub wolniej. Najnowsze badania eksperymentalne oraz modele teoretyczne wykazały, że gdy przenosi się jeden proton, energia cząsteczki się zmienia i musi ona odpowiednio zmodyfikować swoją strukturę, natomiast gdy tunelują dwa protony jednocześnie, energia pozostaje niezmieniona. Atomy w cząsteczce nie muszą się wówczas reorganizować i tunelowanie staje się łatwiejsze.

 

Tunelowanie traktowano początkowo jako zjawisko rzadkie, zdarzające się tylko w wyrafinowanych warunkach. Dziś dla coraz większej liczby chemików staje się oczywiste, że to proces powszechny, zachodzący podczas większości - jeśli nie wszystkich - reakcji chemicznych. W podobny sposób zmienia się podejście biologów. Przypuszcza się, że tunelowanie odgrywa istotną rolę podczas przenoszenia wodoru w enzymach. Wydaje się przy tym, że nierzadko dochodzi do synchronicznego tunelowania kilku protonów jednocześnie, co pomaga uniknąć reorganizacji masywnego szkieletu cząsteczki. Podobny mechanizm może mieć znaczenie przy powstawaniu mutacji DNA.

 

W najnowszych doświadczeniach przeprowadzonych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN i na Wydziale Fizyki UW badano porficen w roztworach. Do śledzenia tunelowania wykorzystano techniki laserowe pozwalające na pomiary z rozdzielczością czasową dochodzącą do 50 femtosekund (1 fs = 10-15 s, czyli jedna biliardowa część sekundy). Wykazano, że zachowanie wodoru tunelującego w porficenie ma istotny wpływ na czas trwania fluorescencji, czyli emisji światła przez wzbudzoną cząsteczkę. W temperaturze pokojowej w roztworach o dużej lepkości fluorescencja wydłużała się nawet tysiąckrotnie: z pikosekund (1 ps = 10-12 s) do nanosekund (1 ns = 10-9 s).

 

Wzbudzona cząsteczka porficenu mogłaby służyć za sondę do pomiaru lepkości w mikro- i nanoskali. Odpowiednio użyta, pozwalałaby obserwować wybrane części komórek oraz wykrywać ich pewne stany chorobowe. Z uwagi na silną zależność własności utleniających od lepkości roztworu, opisane przez naukowców z IChF PAN odmiany porfiryny otwierają także interesujące możliwości w selektywnym niszczeniu komórek nowotworowych za pomocą terapii fotodynamicznych.

 

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (http://www.ichf.edu.pl/) został powołany w 1955 roku jako jeden z pierwszych instytutów chemicznych PAN. Profil naukowy Instytutu jest silnie powiązany z najnowszymi światowymi kierunkami rozwoju chemii fizycznej i fizyki chemicznej. Badania naukowe są prowadzone w 9 zakładach naukowych. Działający w ramach Instytutu Zakład Doświadczalny CHEMIPAN wdraża, produkuje i komercjalizuje specjalistyczne związki chemiczne do zastosowań m.in. w rolnictwie

i farmacji. Instytut publikuje około 300 oryginalnych prac badawczych rocznie.

 

 

 

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

 

                prof. dr hab. Jacek Waluk

                Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

                tel. +48 22 3433332

                email: jacek.waluk@ichf.edu.pl

 

 

 

POWIĄZANE STRONY WWW:

 

                http://www.ichf.edu.pl/

                Strona Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk.

 

                http://www.ichf.edu.pl/press/

                Serwis prasowy Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

 

 

 

MATERIAŁY GRAFICZNE:

 

IChF101221b_fot01s.jpg                                    HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221b_fot01.jpg

Dr hab. Jacek Dobkowski z Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie przy aparaturze pomiarowej używanej do badania tunelowania wodoru w porficenie. (Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski)

 

IChF101221b_fot02s.jpg                                    HR: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221b_fot02.jpg

Schemat cząsteczki porficenu. Gdy dwa atomy wodoru w centrum tunelują jednocześnie między dolnymi i górnymi atomami azotu, proces zachodzi szybciej i łatwiej niż podczas tunelowania jednego wodoru. (Źródło: IChF PAN)

MATERIAŁY FILMOWE:

 

IChF101221c_mov01s.jpg                                  FILM: http://ichf.edu.pl/press/2010/12/IChF101221c_mov01.gif

Wizualizacja jednego ze stanów oscylacyjnych porficenu. Podczas drgań odległość między atomami azotu (niebieskie) na dole i górze może się zmniejszyć, co sprzyja jednoczesnemu tunelowaniu obu atomów wodoru (białe, w centrum). (Źródło: IChF PAN)