Bilim İnsanları Suyun Gizemli Kuantum Sırlarını Açığa Çıkardı…
Hidrojen bağları suya benzersiz özelliklerini verir, ancak karmaşık kuantum etkilerinin ölçülmesi zordu. Şimdi, Sylvie Roke’un EPFL’deki ekibi, etkileşimli ve etkileşimsiz su molekülleri arasında kesin ayrım yapılmasını sağlayan, H-bağı ağlarına yeni bakış açıları açan ilişkili titreşim spektroskopisini (CVS) geliştirdi.
EPFL araştırmacıları ilk kez, sıvı su içerisinde hidrojen bağları oluşturan molekülleri doğrudan gözlemleyerek, daha önce sadece teorik simülasyonlar yoluyla erişilebilen elektronik ve nükleer kuantum etkilerini yakaladılar.
Su, yaşamla eş anlamlıdır, ancak H2O moleküllerini bir araya getiren dinamik, çok yönlü etkileşim – hidrojen bağı – gizemini korumaktadır. Bu hidrojen bağları, komşu su moleküllerinden hidrojen ve oksijen atomları bağlanarak ve bu süreçte elektronik yük alışverişinde bulunarak oluşur.
Bu yük paylaşımı, sıvı suya benzersiz özelliklerini veren üç boyutlu ‘H-bağı’ ağının temel bir özelliğidir; ancak bu tür ağların merkezindeki kuantum fenomenleri şimdiye kadar yalnızca teorik simülasyonlar yoluyla anlaşılabilmiştir.
EPFL Mühendislik Fakültesi’ndeki Temel Biyofotonik Laboratuvarı başkanı Sylvie Roke liderliğindeki araştırmacılar, su moleküllerinin H-bağı ağlarına katıldıklarında nasıl davrandıklarını ölçmelerini sağlayan yeni bir yöntem olan korelasyonlu titreşim spektroskopisini (CVS) yayınladılar.
Önemli olarak, CVS bilim insanlarının bu tür katılımcı (etkileşimli) moleküller ile rastgele dağıtılmış, H-bağlı olmayan (etkileşimsiz) moleküller arasında ayrım yapmasına olanak tanır. Buna karşılık, diğer herhangi bir yöntem her iki molekül türü üzerinde eş zamanlı ölçümler bildirir ve bu da aralarında ayrım yapmayı imkansız hale getirir.
Roke, “Mevcut spektroskopi yöntemleri, bir sistemdeki tüm moleküllerin titreşimlerinin neden olduğu lazer ışığının saçılmasını ölçer, bu nedenle gördüğünüz şeyin ilgilendiğiniz moleküler etkileşimden kaynaklandığını tahmin etmeniz veya varsaymanız gerekir,” diye açıklıyor. “CVS ile, her farklı molekül tipinin titreşim modu kendi titreşim spektrumuna sahiptir. Ve her spektrumun H-bağları boyunca ileri geri hareket eden su moleküllerine karşılık gelen benzersiz bir tepe noktası olduğundan, ne kadar elektronik yük paylaşıldığı ve H-bağ kuvvetinin nasıl etkilendiği gibi özelliklerini doğrudan ölçebiliriz.”
Ekibin, herhangi bir malzemedeki etkileşimleri karakterize etmede “dönüştürücü” bir potansiyele sahip olduğunu söylediği yöntem, Science dergisinde yayımlandı .
Olaylara yeni bir açıdan bakmak
Etkileşimli ve etkileşimsiz moleküller arasında ayrım yapmak için bilim insanları sıvı suyu femtosaniye (bir saniyenin katrilyonda biri) yakın kızılötesi spektrumda lazer darbeleriyle aydınlattı. Bu ultra kısa ışık patlamaları suda küçük yük salınımları ve atomik yer değiştirmeler yaratır ve bu da görünür ışığın emisyonunu tetikler. Yayılan bu ışık, moleküllerin mekansal organizasyonu hakkında önemli bilgiler içeren bir saçılma deseninde görünürken, fotonların rengi moleküller içinde ve arasında atomik yer değiştirmeler hakkında bilgi içerir.
Tipik deneyler spektrografik dedektörü gelen lazer ışınına 90 derecelik bir açıyla yerleştirir, ancak dedektör konumunu değiştirerek ve belirli polarize ışık kombinasyonlarını kullanarak spektrumları kaydederek etkileşimli molekülleri araştırabileceğimizi fark ettik. Bu şekilde, etkileşime girmeyen ve etkileşime giren moleküller için ayrı spektrumlar oluşturabiliriz,” diyor Roke.
Ekip, örneğin suyun pH’ını hidroksit iyonları (daha bazik hale getirerek) veya protonlar (daha asidik hale getirerek) ekleyerek değiştirerek, H-bağı ağlarının elektronik ve nükleer kuantum etkilerini ayırmak için CVS’yi kullanmayı amaçlayan daha fazla deney yürüttü.
Makalenin ilk yazarı olan doktora öğrencisi Mischa Flór, “Hidroksit iyonları ve protonlar H-bağlanmasına katılır, bu nedenle suyun pH’ını değiştirmek onun reaktivitesini değiştirir,” diyor. “CVS ile artık hidroksit iyonlarının H-bağ ağlarına ne kadar fazla yük bağışladığını (%8) ve protonların bundan ne kadar yük kabul ettiğini (%4) tam olarak ölçebiliyoruz – daha önce deneysel olarak asla yapılamayacak hassas ölçümler.” Bu değerler, Fransa, İtalya ve İngiltere’deki işbirlikçiler tarafından yürütülen gelişmiş simülasyonların yardımıyla açıklandı.
Araştırmacılar, teorik hesaplamalarla da destekledikleri yöntemin her türlü malzemeye uygulanabileceğini vurgularken, halihazırda çok sayıda yeni karakterizasyon deneyinin de yürütüldüğünü belirtiyorlar.
Roke , “H-bağ kuvvetini doğrudan ölçme yeteneği, elektrolitler, şekerler, amino asitler , DNA veya proteinler içeren herhangi bir çözeltinin moleküler düzeydeki ayrıntılarını netleştirmek için kullanılabilen güçlü bir yöntemdir” diyor. “CVS suyla sınırlı olmadığından, diğer sıvılar, sistemler ve süreçler hakkında da çok sayıda bilgi sağlayabilir.”
