تعرف على الفيمتو ثانية أهم اختراع لأحمد زويل ونال عنه جائزة نوبل
الأربعاء، 03 أغسطس 2016
كتب مؤنس حواس
رحل عن عالمنا مساء الثلاثاء، العالم المصرى الشهير الدكتور أحمد زويل عن عمر يناهز 70 عامًا، بعدما ترك وراءه تراثًا علميًا كبيرًا، كانت بدايته عندما ابتكر زويل نظامًا قادرًا على التصوير بسرعة عالية جدًا يعرف بالفيمتو ثانية، وهو ما كان السبب فى حصوله على جائزة نوبل عام 1999، وفيما يلى نعرض بعض المعلومات عن هذا الابتكار:
تعتبر الفيمتو ثانية نظامًا قادرًا على التصوير بسرعة عالية، ويعتمد على الليزر، حيث ساعد هذا النظام على مشاهدة حركة الجزيئات عند تفاعلها مع بعضها البعض، حيث تعتبر “الفيمتو سكند” هى وحدة الزمنية التى يمكن التقاط الصورة الواحدة خلالها، وهى جزء واحد من مليون مليار جزء من الثانية الواحدة، وتعتبر النسبة بين الثانية والفيمتو ثانية هى النسبة بين الثانية و32 مليون سنة.
وتمكن زويل من التوصل لهذا الاكتشاف العلمى من خلال استخدام نبضات الليزر قصيرة المدى وشعاع جزيئى داخل أنبوب مفرغ، مع كاميرا رقمية ذات مواصفات فريدة، والتى يمكنها تصوير حركة الجزئيات عند ولادتها وقبل التحاقها بباقى الجزئيات الأخرى، مما يجعل من السهل التدخل السريع ومفاجئة التفاعلات الكيميائية عند حدوثها باستخدام نبضات الليزر كتليسكوب للمشاهدة ومتابعة عمليات الهدم والبناء فى الخلية، الأمر الذى كان بمثابة النواة للعديد من الأبحاث فى مجال الطب والفيزياء وأبحاث الفضاء وغيرها.
وقد غيرت كيمياء الفيمتو نظريات البشر عن التفاعلات الكيميائية، فباستخدام ثانية الفيمتو أصبح من السهل رؤية تحركات الذرات كما يتم تخيلها، ويستخدم العلماء حول العالم الآن ثانية الفيمتو فى دراسة وتحليل العديد من المواد الكيميائية بمختلف أشكالها السائلة والصلبة والغازية وتفاعلاتها مع بعضها البعض.
الفيمتو ثانية (بالإنجليزية: Femtosecond) هو عبارة عـن مليون مليار (كوادرليون) جزء من الثانية أي (عشرة مرفوعة للقوة -15) والنسبة بين الثانية والفيمتو ثانية كالنسبة بين الثانية و32 مليون سنة.[2][3][4]
وأول استخدام عملى لهذه الفترة الزمنية بالغة الضآلة كان إبتكار نظام تصوير من قبل العالم المصريأحمد زويل يرصد حركة الجزيئات عند تكوينها وعند تكوين روابط كيميائية بين بعضها ببعض والوحدة الزمنية التي تلتقط فيها هذه الصورة هي الفيمتو ثانية, وذلك حينما أراد أن يصور بالضبط ما يحصل خلال التفاعلات الكيميائية وقد كان هذا الشئ مستحيلا قبلا لأن هذه التفاعلات تحدث بسرعة كبيرة جداً وعند تسليط الضوء على هذه التفاعلات يسبب الضوء تشتت الإلكترونات فلا يمكن حينها تصوير تفكك الروابط بين المركبات أو إعادة ترابطها معا ولكن تمكن زويل من تسليط أشعة الليزر على التفاعلات وتصويرها بكاميرات دقيقة تمكنت من التقاط ما يحدث في جزء من مليون مليار جزء من الثانية الواحدة.
آلية الكاميرا
الكاميرا المبتكرة بنيت على تقنية ليزر جديدة تعتمد على إرسال ومضات ضوئية سريعة جداً مقدارها بضع عشرات من الفيمتو ثانية بمعنى ان ومضة الليزر تطلق في زمن قدره بضع عشرات من الفيمتو ثانية. وقبل إطلاق الومضات تدخل مكونات التفاعل إلى مطياف جهاز الفيمتو ثانية على شكل حزم من المواد في غرفة تفريغ.
يقوم جهاز الليزر المتطور بإرسال نبضتين الأولى قوية تصدم الجزيئات وتثيرها إلى حالة من الطاقة العالية فتتأرجح كل الجزيئات في آن واحد تحت تأثير الترابط الجزيئي بينها وكأنها صفوف في كتيبة عسكرية والنبضة الثانية هي نبضة جس ضعيفة (probe pulse) يتم اختيار لها طول موجي مناسب لاكتشاف الجزيء أو صورة معدّلة منه.
النبضة الأولى هي إشارة بدء التفاعل بينما النبضة الثانية تفحص كل ما يجري في التفاعل من حركة بطريقة مطيافية رؤية الجسم المتحرك بنفس سرعة دوران الجهاز نفسه وكأن الجسم المتحرك ساكن”.
والفاصل الزمني بين النبضتين يكون فيه ملاحظة مدى سرعة التحول والأوضاع الجديدة التي بأخذها الجزيء عند إثارته واجتيازه للمرحة الانتقالية.
والصور التي تظهر للجزيء أثناء إثارته تترك لها أطياف – وكأنها بصمات أصابع – يمكن رؤيتها على الشاشة وبتتابع النبضات والصور نحصل على صور متتابعة تشبه الفيلم يعرض حركات الجزيئات ببطئ شديد وهى أشبه إلى حد كبير إعادة هدف في كرة القدم ببطء.
التطور
فتح هذا الاختراع الباب على مصراعيه من أجل التقدم والبحث ولعل أفضل العلوم التي ظهرت حديثا عقب اكتشاف أحمد زويل هو علم كيمياء الفيمتو.
وببساطة فإن علم الفيمتو كيمياء حول تخيلات العلماء للتفاعلات الكيميائية إلى مشاهدة على أرض الواقع عن طريق تلك الكاميرا التي تصور التفاعلات الكيميائية بدقة كانت تعتبر قديماً من باب المستحيلات.
ما هو الفيمتو ثانية?
تعتبر الفيمتو ثانية نظامًا قادرًا على التصوير بسرعة عالية، ويعتمد على الليزر، حيث ساعد هذا النظام على مشاهدة حركة الجزيئات عند تفاعلها مع بعضها البعض، حيث تعتبر “الفيمتو سكند” هى وحدة الزمنية التى يمكن التقاط الصورة الواحدة خلالها، وهى جزء واحد من مليون مليار جزء من الثانية الواحدة
* التصوير بسرعة فيمتو ثانية
إذا كان من الممكن تكرار نبض الضوء تمامًا، فيمكنك إرسال واحد من كل ميلي ثانية لكنك تعوض
وقت التقاط الكاميرا بمقدار أصغر، مثل مجموعة من وحدات الـ فيمتو ثانيةFemtoseconds
والتي هي مساوية لـ مليون مليار جزء من الثانية، نحن نتحدث عن تصوير الـ سلو موشن اليس كذلك؟
ستحصل على صورة نبضة ضوء واحدة عندما كان هنا ، والنبضة التالية عندما تكون أبعد قليلاً،
والتالية عندما تكون أبعد من ذلك وهكذا. النتيجة النهائية هي فيلم سلو موشن يمكن تمييزه إذا كنت
قد التقطت النبضة الأولى بسرعة عالية.
ربما تحتاج إلى رؤية ما يحدث عندما يمر من خلال عدسة محفورة بالليزر تم تصميمها بعناية
والتي سيتم تغييرها عن طريق النبضة الضوءية الأولى التي ستضربها.
في مثل هذه الحالات، تحتاج إلى التقاط هذه النبضات الأولى في الوقت الحقيقي مما يعني
تسجيل الصور ليس فقط بدقة الفيمتو ثانية ، ولكن فقط الفيمتو ثانية منفصلة، بسيط جداً.. صحيح؟
هذا ما تفعله كاميرا T-CUP، فهي تجمع بين الكاميرا المتقطعة والكاميرا الثابتة الثانية
وطريقة جمع البيانات المستخدمة في التصوير المقطعي.
“كنا نعرف أنه باستخدام كاميرا خط الفيمتو ثانية فقط ستكون جودة الصورة محدودة،
ولتحسين ذلك قمنا بإضافة كاميرا أخرى تحصل على صورة ثابتة.
إلى جانب الصورة التي اكتسبتها كاميرا خطية بالـ فيمتو ثانية، يمكننا استخدام ما يسمى تحويل الرادون
للحصول على صور عالية الجودة أثناء تسجيل عشرة تريليون إطار في الثانية، هذا ما أوضحه المؤلف
المشارك في الدراسة Lihong Wang.
على أي حال ، تسمح هذه الطريقة للصور بشكل جيد من الناحية الفنية الزمانية المكانية أن يتم التقاطها
على بعد 100 فيمتو ثانية فقط، هذا هو عشرة تريليون في الثانية، أو إذا أرادوا تشغيلها لفترة طويلة،
ولكن لا يوجد صفيف تخزين سريع بما يكفي لكتابة بيانات بسرعة عشرة تريليون في الثانية.
