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阿司匹林药片帮助解决基础物理学问题
发布时间:2017-10-31 09:12:05 阅读:206

来源:phys.org;电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组 张倬铖 编译

图1:蓝移由THz电场作用于阿司匹林晶体中的软模式跃迁偶极子引起。根据电场强度,软模式频率从其初始值(红色高斯,传输增加)转移到瞬时蓝移位置(橙色高斯集合,传输减少)。 来源:MBI-Berlin

    以微晶形式形成的阿司匹林为电子和原子核的微妙运动提供了新的理解。通过强大的超短距离(太赫兹)脉冲进入分子振动,核振荡比弱激发快得多。它们逐渐恢复到其固有的振荡频率,与电子运动的皮秒衰减同步。通过深入的理论分析,从运动粒子辐射的太赫兹波,可以看出大类分子材料电子和原子核的动力学强耦合特性。

    基于其生理活性,阿司匹林已经在不同医疗领域广泛应用。从物理角度来看,可以区分两种类型的运动:(i)分子振动,即在较宽频率范围内的原子核的振荡运动,其中包括甲基的6太赫(THz)(1THz = 1,000,000,000,000次振荡周期/秒)的受阻旋转(动图 1)和(ii)在1000THz附近的分子中的电子振荡运动(动图2),例如通过紫外光激发的。虽然不同的运动仅在单一的阿司匹林分子中弱耦合,但它们在致密的分子包装(例如来自药店的阿司匹林片剂)中发展出非常强的电相互作用。结果,特别的振动模式,即所谓的软模式发生变化,它们的振荡频率被显著地减小(动图3)。这种复合偶联方案和由此产生的分子动力学对阿司匹林和其他分子对外部刺激的反应很重要。到目前为止,这个问题还没有解决。

    在当前的“物理评论”杂志上,柏林Max Born研究所和卢森堡大学的研究人员结合了顶尖的实验和理论方法来揭示软模式的基本属性。在实验中,两个锁相THz脉冲的序列与多晶阿司匹林的700μm厚的片剂相互作用。由移动原子辐射的电场用作实时映射软模振荡的探针。其中两个THz脉冲之间的时间延迟变化的二维扫描显示,阿司匹林晶体中软模式响应的强非线性。这种非线性由软模式到较高频率的显著瞬态移位造成(图1)。该响应显示出由微生物产生的电极化引起的皮秒衰减时间的非瞬时特性。在极化衰减期间,软模式频率逐渐返回到激励之前的值。

动图1:真空中的单一阿司匹林分子显示甲基的受阻旋转。灰球:碳原子,红球:氧原子,白球:氢原子。振动甲基由1个碳原子和3个氢原子组成。来源:MBI-Berlin

    理论分析表明,联合原子核和电子自由度、通过偶极子相互耦合,阿司匹林分子组合中的强电极化使得软模式具有混合特征。在未激活的阿司匹林微晶中,电子和核之间的这种相关性决定了软模式频率。强THz激发引起相关性的分解,导致软模式的瞬时蓝移,通过极化相对较慢的衰减(去相干)的非瞬时响应。这里发现的场景与大类分子材料相关,特别是对于在铁电体中应用的情况。

动图2:真空中的单一阿司匹林分子显示苯环中π电子的集体振荡。后者由碳原子的六边形表示。 振荡黄云表示苯环中的π电子。来源:MBI-Berlin

动图3:在阿司匹林晶体中的软模式的原子运动。与动图1和2中所示的真空中的单个阿司匹林分子相反,甲基的受阻旋转强烈地耦合到苯环中π电子的总体振荡。来源:MBI-Berlin

 
 

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