Mikrodalgaların ısıtma etkisi kullanılarak reaksiyonların hızlandırıldığı uzun zamandır bilinmektedir. Yakın zamanda yapılan bir deney, moleküllerin mikrodalgalar kullanılarak da daha az reaktif bir duruma getirilebileceğini göstermiştir.
Molekülleri ısıtmak onları daha enerjik hale getirerek, Arrhenius yasasında belirtildiği gibi daha fazlasının aktivasyon bariyerini geçmesine ve kimyasal reaksiyona girmesine olanak sağlar. Mikrodalga radyasyon, bir alanı ısıtmanın bir yöntemidir. Bilim adamları, kimyasal sentezdeki ilk uygulamasından bu yana, mikrodalga kaynaklı reaksiyonların sıklıkla yağ banyoları veya diğer geleneksel ısıtma yöntemleriyle artırılanlardan farklı davrandığını biliyorlardı. Bu keşif, mikrodalgaların ısıtmanın ötesindeki potansiyel etkilerine ilişkin sürekli tartışma, münazara ve ihtilaflara yol açmıştır.
Kimyasal Reaksiyonlar Mikrodalgalarla Önlenebilir
İsviçre’deki ETH‘den bilim insanlarının araştırmasına göre, mikrodalgalar artık kimyasal reaksiyonları hızlandırmak veya yavaşlatmak için kullanılabilir. Bu bulgu, mikrodalgaların kimyasal reaksiyonları ısı dışında başka yollarla da etkileyebileceğini şüpheye yer bırakmayacak şekilde kanıtlıyor. Reaksiyonlar ve bunların düzenlenmesi hakkında daha derin bir bilginin yolunu açıyor.
Karbon monoksit (CO) molekülleri ile pozitif yüklü helyum iyonları (He+) arasındaki gaz fazı reaksiyonu, Zhelyazkova ve meslektaşları tarafından reaksiyon hızı değiştirilerek incelenmiştir:
Karbon monoksit ile reaksiyon He++ CO →He + C++ O şeklindedir.
Reaksiyonun hızı, yakalama teorisi olarak adlandırılan teoriye göre, kuantize enerjileri mikrodalga bandında olan CO’nun dönme durumlarına bağlıdır. Deney, karbon monoksit molekülleri ve helyum atomlarının ayrı ayrı süpersonik demetlerinin vakuma yüksek basınçla genişlemesiyle başladı. CO molekülleri temel dönme durumunda başladı. Araştırmacılar, reaksiyondan hemen önce hassas bir şekilde zamanlanmış bir mikrodalga darbesi enjekte ederek, popülasyonun bir alt kümesini, zemin durumundan daha az reaktif olan ilk rotasyonel olarak uyarılmış duruma uyardılar. Mikrodalga darbesinin süresini ayarlayarak, uyarılmış fraksiyona ince ayar yapılabilir.
Rydberg Atomlarına Dönüşüm
Reaksiyonları tetikleyen çarpışma enerjisi, kuantize açısal momentum durumlarının sayısının çok az olduğu kelvin aralığındaydı. CO ve He ışınları, ilgili hızları tam olarak eşleştirilerek neredeyse paralel yollarda birleştirildi ve bu da araştırmacıların bu kadar düşük etkili sıcaklıklara ulaşmasını sağladı. He atomlarının bir lazer yardımıyla Rydberg atomlarına dönüşmesi, ışınların birleşmesini sağladı. Rydberg-Stark saptırıcıları, uyarılmış He atomlarını CO molekülleriyle etkileşime girebilecekleri şekilde yönlendirdi. Rydberg atomlarına dönüşümün bir başka sonucu daha ortaya çıktı. Helyum elektronlarını pasif gözlemciler haline getirerek atomların iyonlar gibi reaksiyonda yer almasını sağladı.
Zhelyazkova ve meslektaşları, mikrokanal plaka dedektörü ile donatılmış bir uçuş zamanı kütle spektrometresi kullanarak reaksiyon ürünlerini tespit etti ve saydı. Bulgularını yakalama teorisi tarafından yapılan tahminlerle karşılaştırmak için, çeşitli sıcaklıklarda reaksiyon oranlarını çıkardılar. Mikrodalga radyasyonunun parametrelerine dayanarak, rotasyonel olarak uyarılmış CO’nun sadece bir manyetik alt seviyesi olacağı varsayılmıştır, ancak bu varsayım gözlemleri açıklayamamıştır.
Teori ve deney arasında bir orta yol bulmak için araştırmacılar, dönel olarak uyarılmış CO’nun tüm manyetik alt seviyelerinden etkilendiği için tüm reaksiyon hızını hesaba katmaları gerektiğini fark ettiler. Araştırmacılar, alt düzeylerin laboratuvarlarındaki başıboş alanlar nedeniyle rastgele atandığını öne sürdüler. Manyetik alt düzeyleri aklınızdan çıkarın; tek bir reaksiyon yolu ve düşük sıcaklıklar ile yakalama teorisi parlıyor. Ancak reaksiyonun gidişatını etkileyen kısa menzilli kuvvetler teoride dikkate alınmıyor. Dolayısıyla, her üründen kaç tane yapılacağını söyleyemez.
ETH’den Zhelyazkova ve meslektaşları tarafından geliştirilen mikrodalga kontrol sistemi sadece reaksiyon hızlarının bastırılabileceğini göstermekle kalmıyor, aynı zamanda mikrodalga darbelerinin süresini değiştirerek kimyasal reaktiviteyi bastırılmıştan arttırılmışa değiştirmenin bir yolunu da sunuyor. Bu yöntemin belirli dönme durumlarında hazırlanan daha geniş bir molekül sınıfına genişletilmesi halinde, izomerler veya aynı atomik bileşime sahip moleküller veya astrofizikle ilgili koşullar altında kimyasal reaksiyonların dönme durumuna bağımlılığı hakkındaki bilgiler geliştirilebilir.
Kaynak: physics.aps.org/articles/v18/63
