Proton davranışına yeni ışık tutan araştırma bilimsel topluluğun övgüsünü kazanıyor — Thea Singer

Thea Singer — 24 Ağustos 2016 — northeastern.edu

Paul Champion

22 Ağustos 2016 – BOSTON, MA. – Fizik Bölümü başkanı ve profesör Paul Champion Kuzeydoğu Üniversitesi Egan Araştırma binasında 22 Ağustos 2016’da poz veriyor. Fotoğraf: Matthew Modoono/Kuzeydoğu Üniversitesi

Kuzeydoğu’dan Paul Champion’un yürüttüğü araştırma ekibinin yaptığı keşif proton davranışına dair yüzyıllardır benimsenen anlayışı altüst etti. Araştırmacılar –Kuzeydoğu’da tasarlanan ultrahızlı atımlı lazer sistemini kullanarak– protonların termodinamik engellerin üzerinden geçmek yerine aslında bunların içinden tünellediklerini ortaya çıkardı. Sonuçları çarpıcı bulan Science dergisi “Editör’ün Tercihi” bölümünde bu araştırmanın altını çizdi. Fotoğraf: Matthew Moodono/Kuzeydoğu Üniversitesi

Düşünün: Kuzey New Jersey’den New York şehrine seyahat etmenin tek yolunun George Washington köprüsü yoluyla Hudson nehrinin üzerinden geçmek olduğunu varsayıyordunuz. Sonra bir gün bir haberle öğrendiniz: Hudson’un içinden geçen Lincoln tünelinden geçmek aslında çok daha verimli.

Kuzeydoğu profesörü Paul Cham­pion ve meslektaşları derin atomaltı dünyada protonlara dair bununla kıyaslanabilecek bir keşif yaptılar. Protonlar her atom çekirdeğinde olan pozitif yüklü parçacıklardır.

Makale Çarşamba günü Nature Kimya‘da yayınlandı. Sonuçları çarpıcı bulan Science dergisi, çevrimiçi yayınlanmasıyla birlikte “Editör’ün Tercihi” bölümünde araştırmanın altını çizdi.

Hayatın sürdürülmesini sağlayan birçok kritik biyokimyasal sistemde protonlar önemli rol oynar, fotosentez ve hücre solunumu da buna dahildir. Hücre solunumu, hücrelerin besin moleküllerindeki kimyasal bağlarda saklanan enerjiyi çıkarma sürecidir.

Klasik fizik, protonların termodinamik engellerin üzerinden geçtiklerini söyler – yani bir sistem dahilinde bir moleküler bileşikten diğerine seksek oynarlar, ancak onları engellerin üzerinden atlatabilecek kadar yüksek sıcaklıklarda biyokimyasal tepkimeleri ateşlerler.

Şimdi Champion’un ekibi –Kuzeydoğu’da tasarlanan ultrahızlı atımlı lazer sistemini kullanarak– protonların termodinamik engellerin üzerinden geçmek yerine aslında oda sıcaklığında bile bunların içinden tünelleyebildiklerini, böylece ısıyla engelden atlatılmayı bekledikleri zaman mümkün olmayan çok daha yüksek bir hızla bu tepkimeleri ateşlediklerini ortaya çıkardı.

Mitokondri tabiatın kendi iyice evrimleşmiş pil sistemidir, ve bu pil sisteminde proton mübadelesi yapılır. Protonların bir noktadan başka bir noktaya gitmek için oda sıcaklığında inanılmaz hızlarda tünellediklerini bulduk. Bu çok çok şaşırtıcı bir sonuçtu.
— Paul Cham­pion, profesör

Bu keşif hem proton davranışına hem de protonların taşınmasına katılan bileşiklerin davranışlarına dair yüzyıllardır benimsenen anlayışı altüst ediyor. Sonraki adımda araştırmacılar bu davranışı laboratuvarda taklit edecekler ve yeni teknolojiler geliştirmekte kullanacaklar. Örneğin tünelleme protonların zardan geçirilmesine yardım ederek yeni tip piller icat edilmesini sağlayabilir. Aslında biyolojiden esinlenen belli pil tipleri mevcut iş hattında yer alıyor.

Çevreyi temiz tutan bu doldurulabilir piller hayvan ve bitki hücrelerinin enerji fabrikası olan mitokondriyi model almış. Nasıl ki mitokondri basit şeker glukozu oda sıcaklığında adenozin trifosfata çevirerek canlı hücreye güç veriyorsa, biyopiller de, kusursuz olduklarında, glukozda saklanan enerjiyi çevirerek laptop ve araba gibi cihazlara güç verebilir.

“Araştırmacıların yaratmaya uğraştığı maddelere biyoloji ilham sağlayabilir,” diyor Champion, Fizik Bölümü başkanı. “Mitokondri tabiatın kendi iyice evrimleşmiş pil sistemidir, ve bu pil sisteminde proton mübadelesi yapılır. Protonların bir noktadan başka bir noktaya gitmek için oda sıcaklığında inanılmaz hızlarda tünellediklerini bulduk. Hatta bu onların öncelikli taşınma yolu. Bu çok çok şaşırtıcı bir sonuçtu.”

Kuantum sıçraması yapmak

Ekibin protonun nasıl işlediğine dair yeni anlayışı, tünelleme yetisini destekliyor: Salt bir parçacık gibi işleyerek klasik fiziğe uygun olarak A noktasından B noktasına hoplamak yerine, proton dalga gibi de işliyor: Kuantum fiziğine uygun olarak A noktasını delip geçerek B noktasına ulaşıyor.

“Başlangıçta gördüğümüzün ne olduğundan emin olamadık,” diyor Champion. “Ve nihayet protonların oda sıcaklığında tünelleme yaptıklarını fark ettik. Bu süreç dikkat çekici bir hızdaydı – engel üzeri klasik taşınmadan çok daha hızlıydı. Şok olduk.”

Paul Champion

22 Ağustos 2016 – BOSTON, MA. – Solda Fizik Bölümü başkanı ve profesör Paul Champion, ortada fizik PhD adayı Bridget Salna ve sağda araştırmacı Abdelkrim Benabbas, Kuzeydoğu Üniversitesi Egan Araştırma binasında 22 Ağustos 2016’da poz veriyor. Fotoğraf: Matthew Modoono/Kuzeydoğu Üniversitesi

Araştırmacıların deneyde aldıkları model sistem, yeşil floresan protein ya da GFP denen bir protein. İlk olarak Aequorea victoria denizanasında görülen GFP, biyomedikal araştırmada yaygınca kullanılan bir işaret, çünkü yeşil bir parıltı yayıyor. GFP’nin DNA’sını başka proteinlere ekleyen araştırmacılar, GFP’nin renkli parıltısını takip ederek sinir hücresi büyümesinden kanser ilerlemesine kadar çeşitli süreçlerin izini sürebiliyor.

“GFP’yi oluşturan öğeler iyi biliniyor,” diyor Bridget Salna, makalenin birinci yazarı ve fizikte doktora öğrencisi. “Protonlar içeride tek yönlü kısa bir mesafe gider ve geri gelirler, sadece dört öğe arasında bunu yaparlar.” Bu öğeler: üç tane bileşik –glutamik asit, serine, su– ve yeşil rengi belirleyen kromofor. Salna’ya göre yeşil parıltıyı tetikleyen şey, protonun yaptığı yolculuk.

Araştırmacılar kendi tasarladıkları lazer ışığını kullanarak proton taşınma sürecini tetiklediler, geniş zaman ve sıcaklık ölçeklerinde parçacıkların hareketlerini dikkatle izlediler.

“Atım süresini daraltarak döngünün tamamını kapsayan moleküler dinamikleri fiilen görüp takip edebildik,” diyor Salna, PhD’17. “Büyüleyiciydi.”

Bu çığır açan buluşu tanıyanlar arasında 2013’te (Michael Levitt ve Arieh Warshel’le birlikte) Nobel Kimya Ödülü alan Martin Karplus da var. “Bu araştırmanın oda sıcaklığında proton aktarım tepkimesinde ‘derin tünelleme’nin önemini apaçık ortaya koyduğu kesin,” dedi Karplus Champion’a yazdığı e-postada. “Tebrikler!”

Türkçesi: Işık Barış Fidaner

1 Comment

Filed under çeviri, bilim

One response to “Proton davranışına yeni ışık tutan araştırma bilimsel topluluğun övgüsünü kazanıyor — Thea Singer

  1. Pingback: Dualarımız Sizinledir — çeviri derlemesi | YERSİZ ŞEYLER