Birçok yaygın küçük molekül yıldızlararası uzayda yaratılır ve düşük sıcaklıkların, daha yüksek sıcaklıklarda gizlenen kuantum-mekanik faktörler nedeniyle kimyasal reaksiyonları üzerinde önemli bir etkiye sahip olması beklenir. Moleküler rotasyon ve çarpışma enerjisinin reaksiyon hızları üzerindeki etkileri gibi bu soğuk kimya fenomenlerinden bazıları, bir hidrojen iyonu ve bir amonyak molekülü kullanılarak gerçekleştirilen bir laboratuvar reaksiyonunda kanıtlanmıştır. Bulgular başlangıçta şaşırtıcı olsa da, kuantum kimyasının kapsamlı bir teorik anlayışıyla açıklanabilir.
Düşük sıcaklıklarda reaksiyon hızlarını ölçmek kuantum-kimyasal teorileri değerlendirmek için yararlıdır. Çünkü moleküller sadece birkaç iyi tanımlanmış kuantum durumunda var olabilir. Bu tür araştırmalar, güneş sistemlerini oluşturan temel moleküllerin çoğunun üretildiği yıldızlararası uzayın yıldız oluşturan bölgelerindeki soğuk gaz bulutlarındaki kimyasal süreçlere de ışık tutabilir. Ancak düşük sıcaklık çalışmaları, özellikle yüklü atomlar ve moleküller (iyonlar) için sorunludur, çünkü iyonları hızlandıran ve ısıtan çevredeki başıboş elektrik alanlarına karşı son derece hassastırlar.
İsviçre ETH’den Kimyager Merkt’e göre, bu zorluk göz önüne alındığında, yakın zamana kadar düşük sıcaklıklarda iyon-molekül reaksiyonları hakkında çok az deneysel veri vardı ve yıllar önce yapılan teorik tahminler hiçbir zaman test edilmedi. Bu sorunu ele almak için Merkt ve ETH’deki meslektaşları yıldızlararası bulutlarda bulunan iki kimyasal maddeyi içeren reaksiyonları araştırdı: hidrojen iyonları ve amonyak.
Ağır hidrojen (döteryum) moleküler iyonları olan D+2’yi kullandılar, çünkü bu daha büyük moleküllerin hızlarını daha yavaş amonyak molekülleriyle eşleştirmek ve çarpışma enerjisini azaltmak daha kolaydı. Süreçlerde, D+2 NH3’ten bir elektron çalar ve bir döteryum için bir hidrojen değiştirebilir, bu da HD ve NH2D+ ile sonuçlanır.
Araştırmacılar ayrıca nötrleştirilmiş amonyak (ND3) kullanarak da çarpışmayı incelediler.
ETH ekibi, ortaya çıkan molekülleri ölçmeden önce iki reaktan molekülünden gelen moleküler ışınların bir reaksiyon odasında birleşmesine izin verdi. Merkt ve meslektaşları, reaksiyonları başıboş elektrik alanlarına karşı duyarsız hale getirmek için bir yöntem geliştirdi. Araştırmacılar D2’yi bir lazer darbesiyle elektronun çekirdekten uzakta tutulduğu yüksek enerjili bir Rydberg durumuna yükselterek D+2’ye dönüştürdü.
Bu yöntem, iyonu devasa bir “elektron kabuğu” içine alarak, çarpışan bir amonyak molekülü yaklaşırken sadece iyonu “görse” bile onu dış dünyaya karşı elektriksel olarak nötr tutuyor.
En önemlisi, araştırmacılar sadece molekülün çarpışma enerjisini ayarlamakla kalmayıp, aynı zamanda moleküllerin ne kadar hızlı döndüğüyle tanımlanan farklı kuantum dönme durumlarını seçici olarak keşfedebildiler. Çarpışma enerjisi azaldığında veya amonyak dönme enerjisi arttığında reaksiyon hızlarının arttığını keşfettiler.
Her iki etki de yüksek sıcaklıklardaki reaksiyonlarda genellikle olanın tersidir: Daha düşük çarpışma enerjileri reaksiyon olasılığını azaltırken, daha hızlı dönen NH3 molekülleri tekdüze olmayan yük dağılımlarının ortalamasını alarak D+2 iyonlarıyla etkileşimi zayıflatır. Son olarak, ND3, daha ağır döteryum atomlarının daha “durgun” olmasına rağmen NH3’ten daha hızlı reaksiyona girmiştir.
Araştırmacılar, yaygın kanının aksine, tüm bu sonuçların çeşitli kuantum durumlarının D+2 ile yaklaşan bir amonyak molekülü arasındaki elektrostatik etkileşimi nasıl etkilediğini hesaba katarak açıklanabileceğini gösterdi. Bu elektriksel çekim, moleküllerin bu etkileşimde birbirlerini nasıl “hissettiklerini” etkilemekte ve dolayısıyla reaksiyon hızını belirlemektedir. Örneğin, bazı kuantum durumlarında, rotasyonel uyarım aslında amonyak molekülü ile D+2 arasındaki elektrostatik bağlantıyı güçlendirebilir.
İngiltere’deki Birmingham Üniversitesi’nden fiziksel kimyacı Tim Softley, “Dönme enerjisi ile oranın artması beni şaşırttı” diyor. “Belki de çıkarılması gereken ders, basit fiziksel açıklamaların bazen tüm hikayeyi anlatmadığıdır.”
Oxford Üniversitesi’nden fizik bilimci David Clary “Bu çok güzel bir kimya fiziği” diyor. “Çok az sayıda test, bu fikri oluşturmak için gereken çok düşük çarpışma enerjisine ulaşabildi. Bulgular, özellikle düşük sıcaklıklarda iyon-molekül reaksiyonları hakkında öğrenilecek daha çok şey olduğunu gösteriyor.
Merkt, teorinin hassas bir şekilde test edilmesini sağlayarak, bulguların soğuk, yoğun yıldızlararası moleküler bulutlardaki geniş bir iyon-molekül reaksiyonu spektrumunun reaksiyon hızlarının sıcaklıkla nasıl değiştiğini tahmin etmeye yardımcı olabileceğine inanıyor.
