แหกกฎเคมี กลไกใหม่ของการเรืองแสง และโมเลกุลที่ไวต่อความหนืด

แหกกฎเคมี กลไกใหม่ของการเรืองแสง และโมเลกุลที่ไวต่อความหนืด

ทีมนักวิทยาศาสตร์มหาวิทยาลัยเวอร์มอนต์ (University of Vermont) และวิทยาลัยดาร์ตมัธ (Dartmouth college) ประเทศสหรัฐอเมริกา ค้นพบกลไกใหม่ของการเรืองแสงของสาร ซึ่งอาจนำไปประยุกต์ใช้ในการประดิษฐ์หลอดไฟ LED หรือการถ่ายภาพทางการแพทย์ได้

Molecular Rotor ที่ไม่สามารถอธิบายด้วยกฎดั้งเดิม

ทีมนักวิจัยได้สังเคราะห์และศึกษาโมเลกุลในกลุ่ม molecular rotor ซึ่งเป็นโมเลกุลเรืองแสงฟลูออเรสเซนต์ (fluorescent) เราอาจนึกภาพเจ้า molecular rotor นี้ง่ายๆ ว่าเป็นโมเลกุลลักษณะคล้ายไม้พายของเรือ มีใบพายสองด้านที่สามารถหมุนไปมารอบแกนได้ ในงานวิจัยนี้ทีมนักวิจัยได้สังเคราะห์ molecular rotor ที่มีธาตุโบรอนเป็นองค์ประกอบ เขาพบว่าเมื่อโมเลกุลนี้อยู่ในของเหลวอย่างเช่นน้ำ จะเรืองแสงอ่อนๆ เป็นสีแดง แต่เมื่ออยู่ในของเหลวที่ข้นอย่างน้ำเชื่อม (ในการทดลองใช้ตัวทำละลายผสมของ glycerol และ ethylene glycol) แสงฟลูออเรสเซนต์ไม่ได้อ่อนลงอย่างที่คาดไว้ แต่กลับเรืองแสงสีเขียวสว่างออกมา จากการทดลองเพิ่มเติมและการคำนวณทางคอมพิวเตอร์ พวกเขาพบว่าการเปล่งแสงนี้ไม่สามารถอธิบายด้วยกฎดั้งเดิมที่มีมายาวนานได้

ภาพอย่างง่ายของ molecular rotor ในการทดลองนี้
ภาพอย่างง่ายของ molecular rotor ในการทดลองนี้

กลไกใหม่ของการเรืองแสง

หากให้ระดับพลังงานที่ต่ำที่สุดของโมเลกุลเป็นชั้นที่ 0 การเรืองแสงที่เป็นไปตาม Kasha’s rule จะเกิดจากระดับพลังงานชั้นที่ 1 แต่จากการทดลองพบว่า molecular rotor ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ไม่ได้เปล่งแสงออกมาจากชั้นที่ 1 แต่มาจากชั้นที่สูงกว่านั้น ทีมวิจัยพบว่าโมเลกุลที่มีระดับพลังงานในชั้นที่ 1 จะลดระดับพลังงานกลับสู่สภาวะพื้นโดยไม่เกิดการเปล่งแสง จึงเรียกชั้นที่ 1 ว่าเป็นชั้นมืด (dark state)  หากจำนวนโมเลกุลที่ลดระดับพลังงานจากชั้นสูงมาอยู่ที่ชั้น 1 มีมาก ก็จะวัดการเรืองแสงได้น้อย ในจุดนี้เองที่ความหนืดของสารละลายได้เข้ามามีบทบาทกับการเรืองแสง

สำหรับตัว rotor ใหม่นี้ การหมุนจะเปิดเส้นทางที่นำไปสู่ในการเสียพลังงานในรูปความร้อน ในสารละลายความหนืดต่ำ rotor หมุนได้อย่างอิสระ สามารถปลดปล่อยพลังงานในรูปความร้อน และลดระดับพลังงานของตัวเองได้รวดเร็ว จากชั้นสูง มายังชั้นที่ 1 และชั้นที่ 0 ในที่สุด แต่ในตัวทำละลายที่หนืดข้น การหมุนเกิดได้น้อย แสงจะปล่อยออกมาจากชั้นที่มากกว่า 1 ก่อนที่จะเกิดการหมุนและเสียพลังงานไปในรูปอื่น ดังนั้นยิ่งสารละลายหนืด การเรืองแสงก็ยิ่งจะเกิดได้มากขึ้น ทีมนักวิจัยได้เรียกกลไกที่เขาเสนอนี้ว่า “Suppression of Kasha’s Rule หรือ SOKR” อาจแปลเป็นภาษาไทยได้ว่า การยับยั้งกฎของ Kasha

การค้นพบนี้จะไปนำใช้ทำอะไรได้บ้าง

เนื่องจากสารใหม่และกลไกที่พวกเขาค้นพบ ให้แสงที่สว่าง และมีความไวต่อความหนืด ผู้วิจัยคาดว่าอาจนำไปใช้ผลิตหลอด LED หรือพัฒนาเทคนิคถ่ายภาพทางการแพทย์ได้ ที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ยังไม่มีความรู้เกี่ยวกับความหนืดของของเหลวที่ส่วนต่างๆ ภายในเซลล์มากนัก สารฟลูออเรสเซนต์ที่ไวต่อความหนืดนี้จึงอาจใช้เป็นเครื่องมือในการศึกษาความหนืดของระบบทางชีวภาพ โดยเปล่งแสงมากในส่วนที่หนืดข้น ทั้งนี้สารที่พวกเขาสังเคราะห์ขึ้นยังไม่ปลอดภัยที่จะใช้กับคน ทีมนักวิจัยกำลังค้นหาโมเลกุลลักษณะเดียวกันที่สามารถใช้กับสิ่งมีชีวิตได้

สำหรับผู้ที่สงสัยว่าการเรืองแสงเกิดขึ้นได้อย่างไร แล้ว Kasha’s rule คืออะไร

ทำความเข้าใจโมเลกุลกับแสง

โมเลกุลมีระดับพลังงานเป็นชั้นๆ ที่ไม่ต่อเนื่องกัน โดยทั่วไปการที่เราเห็นสีของสารต่างๆ เกิดจากสารดูดกลืนแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะเข้าไป แล้วตาของเราจะเห็นสีคู่ตรงข้ามของสีนั้นในวงล้อสี เช่น สารชนิดหนึ่งดูดกลืนสีม่วง เราจะเห็นเป็นสารสีเหลือง เป็นต้น

color-wheel-sokr
วงล้อสี
โมเลกุลที่ดูดกลืนแสงเข้าไปจะมีพลังงานสูงขึ้น และจะลดระดับพลังงานของตัวเองลงมาสู่สถานะพื้น (ground state) ในรูปของความร้อนหรือแสงก็ได้ โมเลกุลโดยทั่วไปลดระดับพลังงานจนกลับสู่ภาวะเดิมโดยไม่เปล่งแสงเลย จึงไม่เห็นการเรืองแสงเกิดขึ้น ส่วนกรณีที่โมเลกุลลดพลังงานโดยการปลดปล่อยแสง สารนั้นก็จะสว่าง เราบอกว่าสารนั้นเรืองแสงได้ (luminescent) เช่น หากโมเลกุลปล่อยแสงสีแดง เราก็จะเห็นแสงสีแดงเรืองออกมา ทั้งนี้โมเลกุลจริงๆ จะมีระดับพลังงานย่อยๆ เนื่องจากการหมุนและการสั่น เหมือนเป็นขั้นบันไดย่อยๆ ของแต่ละชั้นอีก ทำให้การดูดกลืนและการเปล่งแสงเกิดเป็นแถบที่ดูต่อเนื่อง

Kasha’s Rule คือ

ในปี 1950 นักเคมีชาวอเมริกัน Michael Kasha พบว่า โมเลกุลที่เรืองแสงได้จะปล่อยแสงความยาวคลื่นเดียวกันออกมาไม่ว่าความยาวคลื่นของแสงที่กระตุ้นเริ่มต้นจะเป็นเท่าไร โมเลกุลจะปลดปล่อยพลังงานหลังจากดูดกลืนแสงเข้าไปในรูปแบบที่เรียกว่า molecular relaxation (ในรูปของการสั่นแบบต่างๆ และเกิดความร้อน) จนกลับสู่ระดับพลังงานต่ำที่สุดของสถานะกระตุ้น (lowest energy excited state) แล้วจึงปลดปล่อยแสงออกมา ถ้าโมเลกุลดูดกลืนแสงที่พลังงานสูงขึ้น โมเลกุลจะเสียพลังงานความร้อนมากขึ้นโดยไม่เปลี่ยนสีหรือความสว่างของการเรืองแสง ต่อมาสิ่งนี้ได้กลายเป็นกฎที่เรียกกันว่า Kasha’s Rule

แผนภาพการดูดกลืนแสงและเปล่งแสงของโมเลกุล
แผนภาพการดูดกลืนแสงและเปล่งแสงของโมเลกุล เส้นประแสดงการลดระดับพลังงานในรูปแบบไม่เปล่งแสง
แหล่งอ้างอิง : Phys.org , Nature , Journal of Biological Engineering

เขียนโดย

Surased Suraritdechachai

นิสิตภาควิชาเคมี
Tags: , , , , ,