एका सैद्धांतिक अभ्यासाने दाखवले आहे की पाठोपाठ घेतलेल्या इलेक्ट्रॉन च्या छायाचित्रांच्या मदतीने इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीची उत्क्रांती समजून घेता येते

प्रकाशसंश्लेषणासारख्या (फोटोसिंथेसिस) जैविक व रासायनिक अभिक्रिया, इलेक्ट्रॉनच्या अणूंमधील हालचालीचा परिणाम असतात. अभिक्रियेच्या वेगवेगळ्या टप्प्यांमध्ये हा विद्युत प्रभार विशिष्ट पद्धतीने विभागलेला असतो आणि विशिष्ट दिशेने गतिमान असतो. विद्युत प्रभाराची विभागणी व गती माहित झाल्यास गुंतागुंतीच्या अभिक्रिया अधिक चांगल्या प्रकारे समजून घेण्यास मदत होईल व रसायने आणि औषधे तयार करण्यासाठी अधिक वेगवान व कार्यक्षम अभिक्रियांची रचना करणे शक्य होईल. विद्युत प्रभारात घडणारे बदल आतापर्यंत केवळ गणितीय समीकरणांद्वारे व्यक्त करता येत असत, प्रयोगांमधून त्यांचे निरीक्षण करणे शक्य नव्हते. 

भारतीय तंत्रज्ञान संस्था, मुंबई येथील प्राध्यापक गोपाल दिक्षित यांनी, जर्मनी आणि फ्रान्स येथील संशोधकांच्या साथीने केलेल्या अलिकडील एका अभ्यासात, प्रथमच दाखवले आहे की रासायनिक अभिक्रिया घडत असताना होणाऱ्या प्रभार विभाजनातील बदलांची चित्रफीतीवर नोंद, ती अभिक्रिया घडत असताना करणे शक्य आहे. फिजिकल रिव्ह्यू लेटर्स ह्या कालिकात प्रकाशित झालेल्या ह्या अभ्यासात त्यांनी दाखविले आहे की क्ष-किरण स्पंदांच्या आधारे अणूंच्या व इलेक्ट्रॉन च्या एकामागोमाग एक घेतलेल्या स्थिर चित्रांमध्ये प्रभार विभाजनाची महत्ता व दिशा यांबद्दलची माहिती असते. ही माहिती वापरून विद्युत अभिवाह, (प्रभार विभाजनातील बदल दर्शवणारे परिमाण) कसा चित्रित करू शकतो ते विश्लेषणाच्या आधारे संशोधकांनी दाखवले.

एका मिमी च्या शतलक्षांश आकाराच्या अणू मध्ये घन केंद्रकाभोवती फिरणारे इलेक्ट्रॉन असतात. अत्यंत वेगाने फिरणाऱ्या ह्या इलेक्ट्रॉन चे छायाचित्र घेण्यासाठी क्ष-किरण विकिरण हे तंत्र वापरतात. ह्यात अत्यंत कमी, म्हणजे एका सेकंदाचा अब्ज-अब्जांशाचा भाग एवढ्या अवधीचा क्ष-किरण स्पंद अणू किंवा रेणूवर प्रकाशित करतात व  विकिरीत झालेला प्रकाश पकडतात. पकडलेल्या प्रकाशीय संदेशाचे गणीतीय विश्लेषण करून गतिमान इलेक्ट्रॉन चे अचल छायाचित्र तयार केले जाते.  

एलेक्ट्रॉनची चलतचितत्रफीत करण्यासाठी संशोधक ‘काल-विभेदित क्ष-किरण विकिरण’ (टाइम रिसॉल्व्हड् एक्स-रे स्कॅटरिंग) वापरतात. लेसर स्पंदाने अणू किंवा रेणू मधील इलेक्ट्रॉन उत्तेजित करतात, ज्यामुळे इलेक्ट्रॉन अस्थिर होतो. इलेक्ट्रॉन परत स्थिर होत असताना, एकापाठोपाठ एक, कमी अवधीचे क्ष-किरण स्पंद त्या अणू किंवा रेणूवर प्रकाशित करून संशोधक प्रत्येक स्पंदासाठी विकीर्ण प्रकाश पकडतात. पकडलेल्या सर्व प्रकाशीय संदेशांचे एकत्रित विश्लेषण करून इलेक्ट्रॉन च्या हालचालीची चित्रफीत बनवतात.

सदर अभ्यासात संशोधकांनी गणीतीय समीकरणांच्या साह्याने दाखवले आहे की काल-विभेदित क्ष-किरण विकिरण पद्धतीचा उपयोग करून उपलब्ध झालेल्या प्रकाशीय संकेतांमध्ये विद्युत प्रभार विभाजनाबद्दलची माहिती असते आणी विद्युत प्रभार विभाजनातील बदल कसे कसे घडत गेले ह्याचीही माहिती असते. सदर माहिती काढून ह्या विभाजनाचे चित्र कसे तयार करता येईल हे संशोधकांनी दाखवले आहे. ह्याचे प्रात्यक्षिक दाखवण्यासाठी, त्यांनी संगणकीय प्रतिमान वापरून क्ष-किरण विकिरण माहिती निर्माण केली. संगणकीय सदृशीकरणात लेसर स्पंद वापरून बेन्झीन च्या रेणू मधील इलेक्ट्रॉन त्यांनी उत्तेजित केले आणि इलेक्ट्रॉन स्थिर स्थितीत परत येत असताना सदृश काल-विभेदित क्ष-किरण विकिरण करून सदृशीकरणातच प्रकाशीय संदेश पकडले. नंतर ह्या माहितीच्या आधारे विद्युत अभिवाह आणि इलेक्ट्रॉन ची हालचाल दर्शवणारी चित्रफीत तयार केली. 

इलेक्ट्रॉन ची हालचाल होत असताना विद्युत अभिवाहाचे चित्रण बघायला मिळाल्यामुळे, रासायनिक अभिक्रियांच्या दरम्यान इलेक्ट्रॉन कुठून कुठे जातात याचा माग ठेवणे शक्य होईल. भविष्यात याचा उपयोग इच्छित रसायने तयार करण्यासाठी विशिष्ट रासायनिक अभिक्रियांची संरचना करण्यासाठी किंवा कार्यक्षम उत्प्रेरकांची निवड करण्याकरिता होऊ शकेल.

यापुढील पायरी म्हणजे प्रत्यक्ष प्रयोगांमधून घेतलेल्या माहितीच्या आधारे विद्युत अभिवाहाची चित्रफीत बनवणे. वेगवान अभिक्रियांचे निरीक्षण करणे किती व्यवहार्य असेल ते क्ष-किरण स्पंदाचा अवधी किती लहान करता येईल, आणि एकापाठोपाठ एक किती वेगाने ते पाठवता येतील त्यावर ठरेल.

“आम्हाला आशा आहे की आमच्या कामामुळे संशोधकांना प्रयोगांमधून विद्युत अभिवाहाची माहिती मिळवण्यास प्रेरणा मिळेल,” असे प्रा. दिक्षित म्हणतात.