کشفی جالب در مورد تنوع مولکولی آب
مجله علمی ایلیاد - اکنون می‌توانید با نگاه کردن به لیوان آبی که بر روی میزتان قرار دارد، بگویید که شامل دو نوع مولکول آب است که به طرز متفاوتی می‌چرخند. آزمایشی که اخیراً انجام شد، سعی کرد آن‌ها را از هم جدا کند و کشف کرد که یکی از مولکول‌ها بهتر از دیگری واکنش نشان می‌دهد. انتظار نداریم این آبِ بهتر به بمب بازار تبدیل شود، بلکه روشی که منجر به این کشف شده، مزیتی برای شیمی کوانتوم است.
شیمیدانان دانشگاه بازل در سوئیس، ترکیبی از ذرات خوب و قدیمیِ ذرات مونوکسید دی‌هیدروژن را برداشته و از میدان‌های الکترومغناطیسی برای طبقه‌بندی آن‌ها بر اساس چرخش هسته‌ای کلی‌شان استفاده کردند. چرخش خاصیت کوانتومی ذرات است که جهتی زاویه‌دار که به آزادی در آن حرکت می‌کنند را نشان می‌دهد. انواع مختلف ذره بر اساس مقدار این خاصیت طبقه‌بندی می‌شوند.
در نسخه‌ای از آب که «اورتو-ایزومر» نامیده می‌شود، چرخش ترکیبی ذراتی که هسته‌های اتمی آن‌را تشکیل می‌دهند تا مقدار ۱ اضافه می‌شود. اما نوع دیگری نیز وجود دارد که «پارا-ایزومر آب» نامیده می‌شود. مجموع چرخش هسته‌ای آن صفر است که بر اساس برخی از اصول بنیادیِ حرکات اتم‌ها در مولکول‌ها به این معنا است که آن‌ها باید چرخشی متفاوت با پسرعموی‌شان داشته باشند.
بیشترین بخش این چرخش‌ها تغییر نمی‌کند، یعنی هر مولکول هویت خود را به‌عنوان پارا-ایزومر یا اورتو-ایزومر حفظ می‌کند. سوال اینجا است: «آیا اختلافات نظری آن‌ها در چرخش هیچ تغییر قابل‌توجهی در واکنش مولکول‌ها به مواد دیگر ایجاد می‌کنند؟» برای پاسخ به این سوال، محققان کریستالِ فوق‌العاده سرد شده‌ی یون‌های کلسیم را با یون‌های دیازنیلیوم «N2H+» بسته‌بندی کردند. سپس آن‌ها جریاناتی از مولکول‌های آبِ اورتو و پارا را به قلب کریستال شلیک کردند؛ در آنجا این جریانات با دیازنیلیوم واکنش نشان دادند. شمارش تعداد باقیمانده‌ی یون‌های N2H+ در کریستال پس از یک مدت زمان مشخص ایده‌ی خوبی در مورد اینکه کدام ایزومر از لحاظ واکنش بهتر عمل می‌کند، به محققان داد.
در زمان انطباق نتایج، آن‌ها کشف کردند که اتم‌های آبِ پارا چگونه پیچ و تاب خوردند؛ این امر بدین معنا است که ایزومر در انجام واکنش ۲۳ درصد بهتر عمل کرد. تجزیه و تحلیل ارقام از طریق شبیه‌سازی کامپیوتری این اختلاف را تایید کرد و نشان داد که تمام مولکول‌های آب به‌طور یکسان عمل نمی‌کنند. بدون شک، برخی از شرکت‌ها آمادگی آن‌را دارند که بطری‌های آب بهتری را ارائه دهند و حقه‌ی دیگری را وارد صنعت آب معدنی کنند. برای بیشتر ما آب، آب است. نوشیدن یک لیوان آب-پارا احتمالاً هیچ تفاوتی در سلامتی‌تان ایجاد نمی‌کند.
اما از نظر شیمیدانان، آب خیلی عجیب است و کسب اطلاعات بیشتر درباره‌ی واکنش‌پذیری آن تفاوت چشم‌گیری در چگونگی مطالعه‌ی خواص آن ایجاد خواهد کرد. ممکن است فقط دو هیدروژن و یک اکسیژن وجود داشته باشد، اما تحت شرایط گوناگون آب رفتارهای متفاوتی را بروز خواهد داد و حالات عجیبی از ماده را شکل می‌دهد که تازه آن‌ها را می‌فهمیم.
از آنجایی‌که حیات در حال حاضر به‌صورت یک شیمی پیچیده و حلال در آب تعریف می‌شود، داشتن اطلاعاتی در مورد چگونگی حل و واکنش مواد با مولکول‌های آب برای درک جزئیات زیست‌شناسی و منشاء آن حیاتی است. جدا از عجیب بودن آب، نتایج این آزمایش ثابت می‌کند که توانایی ما برای مدل‌سازی و آزمایشِ اثرات متفاوتی که خواص کوانتومی بر کل مولکول‌ها می‌گذارند رو به افزایش است.
نویسنده‌ی ارشد مطالعه، شیمیدان «استفان ویلیچ» از دانشگاه بازل، گفت: «هرچه بهتر بتوانیم حالات مولکول‌های درگیر در واکنشی شیمیایی را کنترل کنیم، بهتر خواهیم توانست مکانیزم‌ها و دینامیک واکنش را بررسی و درک کنیم.» اخیراً گزارشی برای دقیق‌ترین واکنش شیمیایی جهان تنظیم شده است، پیوند مختصر یک اتم سدیم با یک اتم کازیوم. درک خواص کوانتومی مولکول‌ها برای دستکاریِ واکنش‌پذیری آن‌ها مرز جدید شیمی است.
این تحقیق در مجله‌ی Nature Communications منتشر شده است.
نوشته: مایک مک‌را
مترجم: سحر الله‌وردی - مجله علمی ایلیاد