علمی، پژوهشی و فناوری

دانشمندان اسرار کوانتومی مرموز آب را فاش کردند

به گزارش پایگاه خبری علم و فناوری : برای اولین بار، محققان EPFL مستقیماً مولکول‌هایی را مشاهده کردند که با پیوندهای هیدروژنی در آب مایع درگیر می‌شوند و اثرات کوانتومی الکترونیکی و هسته‌ای را که قبلاً فقط از طریق شبیه‌سازی‌های نظری قابل دسترسی بود، ثبت کردند.

آب مترادف با حیات است، اما تعامل پویا و چند وجهی که مولکول های H2O را به هم نزدیک می کند - پیوند هیدروژنی - همچنان مرموز است. این پیوندهای هیدروژنی هنگامی تشکیل می شوند که اتم های هیدروژن و اکسیژن از مولکول های آب همسایه به هم متصل می شوند و در این فرآیند بار الکترونیکی مبادله می کنند.

این اشتراک شارژ یکی از ویژگی‌های کلیدی شبکه سه بعدی «پیوند H» است که به آب مایع خواص منحصربه‌فرد می‌دهد، اما پدیده‌های کوانتومی در قلب چنین شبکه‌هایی تاکنون تنها از طریق شبیه‌سازی‌های نظری درک شده‌اند.

اکنون، محققان به سرپرستی سیلوی روک، رئیس آزمایشگاه بیوفتونیک بنیادی در دانشکده مهندسی EPFL، روش جدیدی را منتشر کرده‌اند - طیف‌سنجی ارتعاشی همبسته (CVS) - که آنها را قادر می‌سازد تا نحوه رفتار مولکول‌های آب هنگام مشارکت در پیوند H را اندازه‌گیری کنند.

مهم‌تر از همه، CVS به دانشمندان این امکان را می‌دهد که بین مولکول‌های مشارکت‌کننده (تعامل متقابل) و مولکول‌های بدون پیوند H (غیر متقابل) توزیع‌شده به‌طور تصادفی تمایز قائل شوند. در مقابل، هر روش دیگری اندازه گیری هر دو نوع مولکول را به طور همزمان گزارش می کند، که تشخیص بین آنها را غیرممکن می کند.

روک توضیح می‌دهد: «روش‌های طیف‌سنجی کنونی پراکندگی نور لیزر ناشی از ارتعاشات همه مولکول‌های یک سیستم را اندازه‌گیری می‌کنند، بنابراین باید حدس بزنید یا فرض کنید آنچه می‌بینید به دلیل برهم‌کنش مولکولی است که به آن علاقه دارید. با CVS، حالت ارتعاشی هر نوع مختلف مولکول طیف ارتعاشی خاص خود را دارد. و از آنجا که هر طیف دارای یک اوج منحصر به فرد است که مربوط به حرکت مولکول های آب به جلو و عقب در امتداد پیوندهای H است، ما می توانیم مستقیماً ویژگی های آنها را اندازه گیری کنیم، مانند اینکه چقدر بار الکترونیکی مشترک است و چگونه استحکام پیوند H تحت تأثیر قرار می گیرد.

این روش که به گفته تیم تحقیقاتی دارای پتانسیل «تغییرپذیر» برای توصیف تعاملات در هر ماده است، در Science منتشر شده است .

نگاه کردن به مسائل از زاویه ای جدید
برای تمایز بین مولکول‌های برهمکنش کننده و غیر متقابل، دانشمندان آب مایع را با پالس‌های لیزر فمتوثانیه (یک چهار میلیاردم ثانیه) در طیف نزدیک به فروسرخ روشن کردند. این انفجارهای بسیار کوتاه نور، نوسانات بار کوچک و جابجایی های اتمی را در آب ایجاد می کنند که باعث انتشار نور مرئی می شود. این نور ساطع شده در یک الگوی پراکندگی ظاهر می شود که حاوی اطلاعات کلیدی در مورد سازماندهی فضایی مولکول ها است، در حالی که رنگ فوتون ها حاوی اطلاعاتی درباره جابجایی اتمی درون و بین مولکول ها است.

آزمایش‌های معمولی آشکارساز طیف‌نگاری را در زاویه 90 درجه نسبت به پرتو لیزر ورودی قرار می‌دهد، اما متوجه شدیم که می‌توانیم مولکول‌های برهمکنش‌کننده را به سادگی با تغییر موقعیت آشکارساز و ثبت طیف‌ها با استفاده از ترکیب خاصی از نور پلاریزه بررسی کنیم. به این ترتیب، ما می‌توانیم طیف‌های جداگانه‌ای برای مولکول‌های غیر متقابل و متقابل ایجاد کنیم.

این تیم آزمایش‌های بیشتری را با هدف استفاده از CVS برای جداسازی اثرات کوانتومی الکترونیکی و هسته‌ای شبکه‌های پیوند H انجام دادند، برای مثال با تغییر pH آب از طریق افزودن یون‌های هیدروکسید (بازی‌تر کردن آن) یا پروتون‌ها (اسیدی‌تر).

میشا فلور، دانشجوی دکترا، نویسنده اول مقاله، می‌گوید: «یون‌ها و پروتون‌های هیدروکسید در پیوند H شرکت می‌کنند، بنابراین تغییر pH آب، واکنش‌پذیری آن را تغییر می‌دهد. با CVS، اکنون می‌توانیم دقیقاً مقدار یون‌های هیدروکسید بار اضافی را که به شبکه‌های پیوند H اهدا می‌کنند (۸ درصد) و میزان باری که پروتون‌ها از آن می‌پذیرند (۴ درصد) تعیین کنیم - اندازه‌گیری‌های دقیقی که قبلاً هرگز نمی‌توانستند به صورت تجربی انجام شوند. ” این مقادیر با کمک شبیه سازی های پیشرفته انجام شده توسط همکاران در فرانسه، ایتالیا و بریتانیا توضیح داده شد.

محققان تاکید می‌کنند که این روش، که آن‌ها آن را از طریق محاسبات نظری نیز تأیید کردند، می‌تواند برای هر ماده‌ای اعمال شود، و در واقع چندین آزمایش خصوصیات جدید در حال انجام است.

روک می‌گوید : «توانایی کمی کردن مستقیم استحکام پیوند H یک روش قدرتمند است که می‌تواند برای شفاف‌سازی جزئیات سطح مولکولی هر محلولی، به عنوان مثال حاوی الکترولیت‌ها، قندها، اسیدهای آمینه ، DNA یا پروتئین‌ها استفاده شود». از آنجایی که CVS به آب محدود نمی شود، می تواند اطلاعات زیادی را در مورد مایعات، سیستم ها و فرآیندهای دیگر ارائه دهد.