Çay fincanınızda zar zor anladığımız türden bir fırtına var. Su molekülleri çılgınca hareket ediyor, birbirlerine uzanıyor, kolay çalışmaya meydan okuyan benzersiz şekillerde tutunuyor ve salıveriyor kendilerini moleküller.
Fizikçiler, hidrojen bağı olgusunun suyun birçok tuhaf ve harika konfigürasyonunda önemli bir rol oynadığını biliyor olsa da, bunun tam olarak nasıl çalıştığına dair bazı ayrıntılar oldukça belirsiz kaldı.
Uluslararası bir araştırmacı ekibi, sıvı suyu oluşturan parçacıkların konumlarını görüntülemeye yeni bir yaklaşım getirdi. Hidrojen ve oksijenin su molekülleri içinde nasıl itildiğini ortaya çıkarmak için bulanıklıklarını femtosaniye hassasiyetle yakaladı.
Sonuçları daha iyi bir fincan çay yapmamıza yardımcı olmayabilir, ancak hidrojen bağlarının kuantum modellemesini ortaya çıkarmada uzun bir yol kat ettiler ve potansiyel olarak, bildiğimiz gibi yaşam için çok hayati olan suyun neden bu kadar ilgi çekici özelliklere sahip olduğunu açıklayan teorileri geliştirdiler.
ABD Enerji Bakanlığı’nın SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı fizikçisi Xijie Wang, “Bu, suyu incelemek için gerçekten yeni bir pencere açtı” diyor. “Artık hidrojen bağlarının hareket ettiğini görebildiğimize göre, bu hareketleri, suyun Dünya’daki yaşamın kökenine ve hayatta kalmasına nasıl yol açtığına ışık tutabilecek ve yenilenebilir enerji yöntemlerinin gelişimini bilgilendirebilecek daha geniş bir resimle ilişkilendirmek istiyoruz. ”
İzolasyonda, tek bir su molekülü, iki hidrojen atomu ve tek bir oksijen arasındaki elektronlar üzerinde üç yönlü bir gözetim savaşıdır.
Lise biliminden hatırlayabileceğiniz gibi, bir su molekülü bir oksijen atomu (O) ve iki hidrojen atomundan (H) oluşur. Suya tuhaf özelliklerini veren, farklı H2O molekülleri – “hidrojen bağları” olarak adlandırılan molekül içi kuvvetler – arasındaki etkileşimlerdir. Bir moleküldeki pozitif yüklü hidrojen atomları, diğerindeki daha negatif yüklü oksijen atomlarına çekilir. Bu hidrojen bağları ağı, su molekülü gruplarını bir arada tutar.
Bu moleküllerden birkaçını yeterli enerjiyle birlikte attığınızda, yükteki küçük değişiklikler kendilerini buna göre düzenleyecek, aynı yükler birbirinden ayrılacak ve farklı yükler bir araya gelecektir.
Bunların hepsi kulağa yeterince basit gelse de, bu sürecin arkasındaki motor basit olmaktan başka bir şey değildir. Elektronlar, çeşitli kuantum yasalarının etkisi altında yakınlaşır, yani ne kadar yakından bakarsak, belirli özellikler hakkında o kadar az emin olabiliriz.
Daha önce fizikçiler, suyun kaotik çekişmesinde elektronların nasıl hareket ettiğini anlamak, ışık fotonlarını yakalamak ve elektron konumlarını haritalamak için imzalarını analiz etmek için ultra hızlı spektroskopiye güveniyorlardı.
Ne yazık ki, bu, manzaranın çok önemli bir bölümünü – atomların kendisini – dışarıda bırakıyor. Etraflarında değişen kuantum kuvvetlerine göre, pasif seyircilerden uzak olarak, aynı zamanda esnerler ve sallanırlar.
SLAC fizikçisi Kelly Gaffney, “Hidrojen atomlarının düşük kütlesi, kuantum dalga benzeri davranışlarını vurgular” diyor.
Ekip, atomların düzenlemeleri hakkında fikir edinmek için Megaelektronvolt Ultra Hızlı Elektron Kırınım Aleti veya MeV-UED adı verilen bir şey kullandı.
SLAC’ın Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı’ndaki bu cihaz, suyu, moleküllerden sekerken atomların düzenlemeleri hakkında önemli bilgiler taşıyan elektronlarla yıkar.
Yeterli anlık görüntü ile, moleküller etraflarında bükülür ve bükülürken hidrojenin sallanmasının yüksek çözünürlüklü bir resmini oluşturmak mümkün oldu, bu da komşu moleküllerden oksijeni onlara doğru şiddetli bir şekilde geri itmeden önce onlara nasıl sürüklediklerini ortaya çıkardı.
“Bu çalışma, hidrojen bağ ağının bir enerji dürtüsüne tepkisinin, hidrojen atomlarının nasıl ayrıldığının kuantum mekanik doğasına kritik olarak bağlı olduğunu doğrudan gösteren ilk çalışmadır; su ve hidrojen bağ ağı” diyor Gaffney.
Aracın prensipte işe yaradığı gösterildiğine göre, araştırmacılar onu basınçlar yükselirken ve sıcaklıklar düşerken su moleküllerinin çalkantılı valsini incelemek için kullanabilir ve egzotik koşullar altında yaşam oluşturan organik çözünen maddelere nasıl tepki verdiğini veya şaşırtıcı yeni evreler oluşturduğunu izleyebilir.
Bir fırtına hiç bu kadar zarif görünmemişti.
Kaynaklar
- sciencealert.com/physicists-have-observed-for-the-first-time-a-quantum-property-that-makes-water-weird
- cosmosmagazine.com/science/chemistry/quantum-nature-of-hydrogen-atoms-in-water-revealed/
