Fizikçiler, yassı moleküllerin aslında hacimli ve anlık kiraliteye sahip olduğunu keşfetti
Kuantum düzeyinde, moleküllerdeki atomlar her zaman aynı yerde durmazlar. Bilim insanları atomların kaymasını takip etmeyi başardılar ve formik asidin (karınca asidi) uzaydaki konfigürasyonunun nasıl dinamik olarak değiştiğini gösterdiler.
Kimya ders kitaplarında moleküller genellikle atomları temsil eden küreler ve aralarındaki bağları temsil eden çubuklardan oluşan sert yapılar olarak tasvir edilir. Birçok canlı organizma tarafından yaygın olarak kullanılan formik asit (CH2O2, HCOOH), bu tür çizimlerde düz görünür.
Ancak gerçekte bu moleküller iki boyutlu değildir. Onlara hacim kazandıran şey kuantum etkileridir. Profesör Reinhard Dörner liderliğindeki uluslararası bir bilim insanı ekibi, formik asit molekülünün tam uzay yapısını belirledi ve aside “dinamik kiralite” kazandıran mekanizmayı tanımladı. Araştırma Physical Review Letters dergisinde yayımlandı.
Molekülün kapsamlı bir şekilde incelenmesi için fizikçiler, Hamburg’daki (Almanya) DESY hızlandırıcı merkezinde bulunan PETRA III senkrotronunun röntgen ışınlarını kullandılar.
Molekül parçalarının konumunu mümkün olduğunca kesin bir şekilde belirlemek için bilim insanları, maddeye röntgen demeti uygulandığında meydana gelen iki süreci ölçtüler. Röntgen, fotoelektrik ve Auger etkisi mekanizmasıyla formik asitten elektronları söker ve atomlar o kadar güçlü yüklü hale gelir ki molekül, Coulomb patlamasıyla ayrı atomlara ayrılır. Her iki süreç de femtosaniye düzeyinde gerçekleşir ancak bilim insanları bunları ardışık ve ayrı ayrı ölçmeyi başardılar. Bunun için COLTRIMS reaksiyon mikroskobu kullanıldı.
Elde edilen verilere dayanarak bilim insanları, formik asit molekülünün orijinal geometrisini hesapladılar. Formik asitteki iki hidrojen atomunun hafifçe titreştiği, bunun da molekülün aslında düz olmadığı anlamına geldiği ortaya çıktı.
Profesör Dörner konuyla ilgili şunları söyledi: “Kuantum dünyasında atom çekirdekleri, yerinde donmuş küçük küreler değildir. Daha çok titreşen bulutlara benzerler. Molekülü mutlak sıfıra kadar soğutsak bile, ‘sıfır noktası titreşimleri’ olarak adlandırılan bu titreme asla durmaz.”
Bu titreme, atom çekirdeklerinin kesin bir konumu olmadığı, sadece onları belirli bir yerde bulma olasılığı olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, formik asit molekülü pratik olarak her an hacimlidir.
Üçüncü boyutun ortaya çıkması nedeniyle molekül simetrik olmayı bırakır ve insan elleri gibi “kiral” (sağ veya sol elli) hale gelir. Sağ elimizi sol elimizin üzerine tam oturacak şekilde döndüremeyiz; sol ve sağ moleküller de aynı atomlardan oluşmalarına rağmen bu şekilde farklı organize olurlar. Maddelerin sol ve sağ formları özellik bakımından önemli ölçüde farklılık gösterebilir. Örneğin, ağrı kesici ibuprofenin iyileştirici bir formu varken, vücut üzerinde hiç etkisi olmayan bir başka ayna formu (izomeri) da vardır. Genellikle bu “aynalık” durumu molekülün sabit yapısından kaynaklanır.
Yeni araştırma, moleküllerin geometrisinin statik olmadığını gösteriyor. Formik asit, kuantum düzeyinde meydana gelen olaylar nedeniyle saniyenin çok küçük bir kısmında sol veya sağ formlu hale gelir. Molekülün düz konfigürasyonu, gerçekliğin kesin bir yansıması değil, durumlarının bir ortalamasıdır. Molekülün şekli de kiralitesi gibi dinamik bir yapıya sahiptir. Bu sonuç, fizikçilerin ve kimyagerlerin moleküllerin özelliklerini ve kimyasal reaksiyonların gerçekleşme süreçlerini daha iyi anlamalarına yardımcı olabilir.
Kaynak: Physical Review Letters
