Żywe kolory niedawno malowanej ściany blakną błyskawicznie. Plastikowy zraszacz do trawy nie nadaje się do użytku po zaledwie kilku miesiącach pracy. A w labie kolejny zły dzień: pomiary się nie udają, bo oświetlone laserem cząsteczki chemiczne rozpadają się za szybko. We wszystkich tych przypadkach czynnikiem odpowiedzialnym za rozpad cząsteczek jest światło. Czas tego rozpadu można będzie teraz znacząco wydłużyć – dzięki badaniom grupy naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie, kierowanej przez prof. dr. hab. Jacka Waluka.

Badaczom udało się zidentyfikować główny mechanizm przyspieszający fotodestrukcję cząsteczek chemicznych. – W naszym laboratorium obserwujemy pojedyncze cząsteczki chemiczne. Robimy to pod mikroskopem fluorescencyjnym, badając emitowane przez nie światło. Podstawowym problemem jest tu czas życia cząsteczek: nawet te uznawane za trwałe rozpadają się po paru, parunastu sekundach. Postanowiliśmy więc wydłużyć czas ich życia. Pierwszym krokiem ku temu celowi musiało być, naturalnie, zrozumienie głównego zjawiska odpowiedzialnego za destrukcję cząsteczek – mówi prof. Waluk, jeden z autorów publikacji zamieszczonej w czasopiśmie „Journal
of Physical Chemistry Letters”.

Aby pomiary były wiarygodne, należy zaobserwować od kilku do kilkudziesięciu tysięcy fotonów emitowanych przez cząsteczkę w procesie fluorescencji. Cząsteczka emituje fotony we wszystkich kierunkach, lecz rejestrowane są tylko te lecące ku detektorom. Oznacza to, że w czasie, w którym aparatura zarejestrowała kilkadziesiąt tysięcy fotonów, cząsteczka musiała wyemitować ich mniej więcej milion. W przypadku badanych w IChF PAN cząsteczek TDI (diimidu terylenu) wydajność kwantowa fluorescencji wynosi ok. 70%. Wynika stąd, że w trakcie pomiaru każda cząsteczka musiała pochłonąć prawie dwa miliony fotonów.

 – Każda absorpcja fotonu powoduje, że cząsteczka przechodzi do stanu wzbudzonego, który na ogół zwiększa jej reaktywność, czyli zdolność do wchodzenia w reakcje chemiczne. Zatem każdy pochłonięty foton przybliża cząsteczkę do jej własnej śmierci. Na ogół przyjmuje się, że cząsteczka jest fotostabilna, jeśli ma 50% szans na przeżycie po zaabsorbowaniu miliona fotonów. W naszych warunkach oznacza to, że możemy ją obserwować przez kilka sekund – tłumaczy prof. Waluk.

Kluczem do wydłużenia fotostabilności cząsteczek okazała się analiza sposobu ich preparowania do obserwacji pod mikroskopem fluorescencyjnym. Procedura zaczyna się od przygotowania bardzo rozcieńczonego roztworu cząsteczek w rozpuszczonym polimerze. Kropelkę roztworu umieszcza się następnie na szkiełku mikroskopowym znajdującym się na wirującej tarczy. Wskutek rozwirowywania kropelka rozlewa się po powierzchni, a rozpuszczalnik odparowuje. Na szkiełku pozostaje cienka warstwa polimeru, grubości zaledwie 30 nanometrów, z uwięzionymi
pojedynczymi cząsteczkami badanej substancji, które są rozmiaru około nanometra. Jeśli stężenie cząsteczek w początkowym roztworze zostało umiejętnie dobrane, pojedyncze cząsteczki do badań będą się znajdowały w warstewce polimeru w stosunkowo dużych odległościach od siebie, rzędu mikronów (gdyby ludzie byli rozmieszczeni z podobną gęstością, każdego dzieliłoby od sąsiada kilka kilometrów). Tak przygotowane szkiełko jest umieszczane pod mikroskopem, gdzie warstwę polimerową przemiata się wąską wiązką laserową o energii fali świetlnej dobranej w taki sposób, aby wzbudzała badane cząsteczki. Jeśli w oświetlonym miejscu pojawi się fluorescencja, najprawdopodobniej będzie pochodziła od pojedynczej cząsteczki analizowanego związku.