Slide 1


Slide 2

Marzenia chemików z MIT


Slide 3

"WISH LIST" MIT 2000
• Konstrukcje supramolekularne, sztuczne receptory
• Samoreprodukujące się molekuły i
samokorygujące się reakcje chemiczne
• Chemia kombinatoryczna z transformacjami
ewolucyjnymi
• Kontrola orientacji przestrzennej molekuł


Slide 4

"WISH LIST" MIT 2000
(c.d.)
•
•
•
•
•
•

Synteza chemiczna poprzez pulsy laserowe
Reakcje bez rozpuszczalników
Chemia pojedynczej molekuły
Kontrola wzrostu kryształów
Kompleksy endohedralne
Nowe teorie reakcji chemicznych.


Slide 5

Chemia ma dawać lepsze
produkty
• skuteczne leki, superwytrzymałe
materiały, trwałe farby, itp.

• czy taka będzie jej

najważniejsza rola?


Slide 6

Są to niewątpliwie bezpośrednie
cele chemii. Wydaje się, że brak
jednak odpowiedzi na pytanie: co
będziemy robić, gdy to wszystko
będziemy umieli?


Slide 7


Slide 8

Sterowanie reakcjami
chemicznymi przez pulsy
laserowe


Slide 9

Na razie jesteśmy daleko od tego
celu:
Przeświadczenie, że wystarczy
dać dużo fotonów o częstości
odpowiadającej drganiu
rozciągającemu wiązania, aby je
zdysocjować okazało się zbyt
optymistyczne dla molekuł
wieloatomowych


Slide 10

Ostateczny cel: z konkretnego stanu
substratów do konkretnego stanu
produktów
• Jeśli via elektronowy stan wzbudzony, to
jest to obecnie niekontrolowalne
• Jeśli wszystko odbywa się w elektronowym
stanie podstawowym, to jest to
półkontrolowalne (matryce gazowe,
stymulowana emisja, itp. stabilizują
produkt)


Slide 11

Dwa izomery mogą być uważane
za dwa stany wibracyjne tego
samego stanu elektronowego
(podstawowego)
Izomer 2

Izomer 1


Slide 12

Izomeryzacja może wobec tego
polegać na odpowiednim
wzbudzeniu jednego izomeru
Przykład: HO-N=O


Slide 13

H-O-N=O
(Baldeschwieler i Pimentel, JCP
33(1960)1008)
• pierwsza indukowana przez IR
izomeryzacja
• pierwsze przejście fotochemiczne
stymulowane wibracyjnie.
• fotowzbudzenie rozciągającego pasma OH,
a potem konwersja energii do drgania
torsyjnego


Slide 14

Molekuła w oscylującym polu
elektrycznym falowanie PES,
co oznacza możliwość
przemieszczania punktu w
przestrzeni konfiguracyjnej


Slide 15

Przykład koncepcji teoretycznej

J.Manz, G.K.Paramonov, M.Polasek, C.Schuette
Isr.J.Chem.34(1994)115-125


Slide 16

Be2H3Dprodukt: symetria C3v


Slide 17

Be2H3D- substrat:
symetria (po uśrednieniu) C2v
H

Be

Be

D

H
H


Slide 18

Be2H3Di dwie współrzędne kątowe, które
przeprowadzają substraty w
produkty (i odwrotnie)


Slide 19

Be2H3Dmapa energii jako funkcji kątów


Slide 20

Uproszczenie: jedna zmienna

Profil energetyczny reakcji i funkcje
oscylacyjne (pokazane tylko stany parzyste)
produkt

substrat

produkt


Slide 21

Równanie Schroedingera dla
ruchu jąder


Slide 22

Równanie Schroedingera dla
ruchu jąder

Hamiltonian molekuły izolowanej: Hmol (R)

Hamiltonian dla molekuły w polu elektrycznym E: H=Hmol(R) -μ (R) ε(t)
μ (R) jest momentem dipolowym obliczonym dla konfiguracji jąder R


Slide 23

Dynamika w polu lasera


Slide 24

Konstrukcja sekwencji impulsów
laserowych
faza

Kierunek pola elektrycznego: wzdłuż osi Be-Be
amplituda
oscylacje

profil tłumienia

profil tłumienia


Slide 25

Cztery pulsy i populacje stanów...

nienakrywające się pulsy

optymalne


Slide 26

Optymalne 4 pulsy...


Slide 27

Optymalna sekwencja wzbudzeń:
0 4 14 2216


Slide 28

Jak rozdzielić izotopy?


Slide 29

Układ poziomów energetycznych byłby inny dla
innego izotopomeru
Wniosek: fotoreakcja zaszłaby selektywnie dla wybranego izotopomeru


Slide 30

Po reakcji fotochemicznej dodanie
odpowiedniego odczynnika powoduje
powstanie osadu tylko z jednym
izotopem


Slide 31

•

Wnioski
z
obliczeń
teoretycznych
Osiągnięto wydajność sekwencji 4 pulsów ok. 95%

produktu (wydajność mało zależała od wyboru faz φk
k=1,...4)
• Sekwencja pulsów laserowych powoduje obsadzenie na
końcu jednego stanu wibracyjnego produktów. Po drodze
obsadzanych jest kilka stanów oscylacyjnych w studni
substratów, potem stan zdelokalizowany, a na końcu
wymuszenie emisji do stanu oscylacyjnego w studni
produktów
• Sekwencja pulsów przeprowadza układ od substratów do
produktów. Reakcja produktysubstraty wymaga innej
sekwencji pulsów
• Sekwencja pulsów jest specyficzna dla konkretnego
izotopomeru, co umożliwia rozdzielanie izotopów metodą
fotochemiczną


Slide 32

Światło jako precyzyjny
odczynnik chemiczny:
Przeprowadzanie reakcji
chemicznych za pomocą grzania
palnikiem jest działaniem
prymitywnym. W przyszłości
sekwencja laserowych pulsów
pikosekundowych zrobi to
precyzyjnie do żądanego produktu


Slide 33

Jak zaplanować sekwencję
pulsów laserowych?
• Za pomocą obliczeń
kwantowomechanicznych (bardziej
realistycznych niż przedstawione wyżej)
• Za pomocą metod sztucznej inteligencji


Slide 34

Dygresja: Sieć neuronowa


Slide 35

Dygresja c.d.
• Sieć neuronowa oparta jest na architekturze
równoległej (podobnie jak mózg)
• Wiele połączeń
• Połączenia wpływają na siebie
• Wagi połączeń adaptują się do przykładów
uczących
• Sieć nadaje się do analizy danych niepełnych i
niepewnych
• Sieć jest tylko częściowo podatna na zniszczenie


Slide 36

Sterowanie laserowe: Jak sobie radzimy teraz?
•
•
•
•
•
•
•

Herschel Rabitz: dać przypadkową sekwencję pulsów laserowych
Ocena stężenia uzyskanego właściwego produktu c(K,εk0,k,φk,tk,tpk)
Modyfikacja parametrów K,εk0,k,φk,tk,tpk
Ocena stężenia uzyskanego właściwego produktu
...
Maksymalizacja wydajności właściwego produktu c(K,εk0,k,φk,tk,tpk)
Jak dotychczas kontrola molekuły H2S...


Slide 37

Cechy szczególne tego podejścia
• „Wykorzystujemy układ jako komputer” 1000
razy na sekundę. Cel: kontrolować jego kwantowe
zachowanie się
• Uczymy się takiej sekwencji pulsów, aby uzyskać
sukces
• Jest to podejście bardzo ogólne
• Wada: nie wiemy dlaczego uzyskujemy sukces (bo
podejście fenomenologiczne)
• Nadzieja, że będziemy to mogli wydedukować


Slide 38