Masanızın üzerinde duran bardaktaki su, farklı şekillerde dönen iki farklı molekülden oluşuyor; fakat bunu sadece suya bakarak söyleyemeyiz. Moleküllerden birinin diğerinden daha iyi tepki verdiğinin keşfedilmesi üzerine, yakın zamanda yapılan bir deney, bu molekülleri birbirinden ayırmayı başardı. Bu keşfin arkasındaki yöntem, kuantum kimyası için büyük bir nimet.
İsviçre Basel Üniversitesi’ndeki kimyagerler eski dihidrojen monoksit partiküllerinin bir karışımını aldılar ve toplam çekirdek döngülerine (nükleer spin) göre ayırmak için elektrostatik alanları kullandılar. Döngü, partiküllerin serbestçe dönebildiği açılı yönü tanımlayan bir kuantum özelliğidir. Farklı parçacık türleri bu özelliğin değerine göre sınıflandırılırlar.
Orto-izomer olarak adlandırılan suyun bir versiyonunda, atom çekirdeğini oluşturan parçacıkların birleşik dönüşü “1” değerine kadar katmaktadır. Fakat suyun para izomeri olarak adlandırılan başka bir tip daha mevcuttur. Bu tipin nükleer döngü değeri 0’dır. Atomlardaki molekül hareketlerini yöneten bazı temel prensiplere göre bu değer, para-izomer moleküllerinin orto-izomer dediğimiz diğer akrabasından farklı şekilde dönmeleri gerektiği anlamına gelir. Çoğunlukla bu döngüler değişmez, yani her molekül kendi kimliğini bir para- veya orto-izomer olarak korur.
Asıl soru şu: Rotalardaki teorik farklılıklar, bu iki farklı molekülün diğer maddelerle reaksiyona geçmesi durumunda, dikkate değer herhangi bir farklılık oluşturur mu?
Araştırmacılar bu sorunun yanıtını bulmak için, diazenilyum iyonları (N2H +) ile kalsiyum iyonlarından oluşan süper soğutulmuş bir kristal oluşturdular. Daha sonra, kristalin tam merkezine orto- ve para-su moleküllerinin akıntılarını çekerek diazenilyum ile reaksiyona soktular. Belirli bir süreden sonra N2H + iyonlarının kristalde kaç tane kaldığını saymak, araştırmacılara bu tepkimede hangi izomerin daha iyi iş çıkardığı konusunda güçlü bir fikir verdi. Sonuçların taranması üzerine, para-izomer su atomlarının bükülüp dönme şeklinin, orto- izomerlere göre tepki vermede yüzde 23 daha iyi olduğuolduğunu tespit ettiler. Şekillerin bilgisayar simülasyonu ile analizi, tüm su moleküllerinin aynı şekilde davranmadığını gösteren bu önemli farkı doğruladı.
Çoğumuz için su sudur. Para-izomer moleküllerden oluşan bir bardak suyu içmek muhtemelen sağlığımız için bir fark yaratmayacaktır. Ancak kimyagerler için, bu su yapısı ilgi çekicidir ve reaktivitesi hakkında daha çok şey öğrenmek ve özelliklerini keşfetmek konusunda önemli bir fark yaratabilir.
Su, sadece iki hidrojen ve bir oksijenden oluşur; ancak bu yaşam kaynağı, çeşitli koşullar altında pek çok farklı şekilde alışılmadık davranışlar gösterir. Su, maddenin garip hallerine bürünebilir ve biz bunu daha yeni anlamaya başlıyoruz. Hayat şu anda karmaşık ve suda çözünebilen bir kimya olarak tanımlandığından, maddelerin su molekülleriyle nasıl çözüldüğünün ve nasıl reaksiyona girdiğinin bilinmesi, bilimin kökenlerinin de ayrıntılı olarak anlaşılması için hayati önem taşımaktadır.
Sudaki bu tuhaflık bir yana, yapılan deneyin sonuçları, farklı kuantum özelliklerinin tüm moleküller üzerindeki etkilerini modelleme ve test etme yeteneğimizi de göstermektedir. Çalışmanın baş yazarı olan ve şu anda Basel Üniversitesi’nde görev yapan kimyager Stefan Willitsch, “Kimyasal tepkimede yer alan moleküllerin durumlarını ne kadar iyi kontrol edebilirsek, bir reaksiyonun altında yatan mekanizmaları ve dinamikleri de o kadar iyi araştırabilir ve anlayabiliriz” diyor.
Moleküllerin tepkilerini bu kadar iyi düzeyde değiştirebilmek için kuantum özelliklerini anlamak, kimyadaki sınırları öteye taşıyan büyük bir yeniliktir.
Bu araştırma Nature Communications‘da yayınlandı.
Kaynak: Science Alert