Χημικοί δεσμοί διακρίνονται για πρώτη φορά σε εικόνες μικροσκοπίου

Όπως συμβαίνει στην ανθρώπινη ζωή, έτσι και στη χημεία οι δεσμοί των ατόμων που συγκροτούν ένα μόριο είναι άλλοτε πιο στενοί και άλλοτε πιο χαλαροί, καθορίζοντας την τελική μορφή και τη συμπεριφορά του. Αυτό είναι γνωστό στη θεωρία, για πρώτη φορά όμως μπορούμε να το παρακολουθήσουμε και στην πράξη χάρη στην πρώτη λεπτομερή απεικόνισή τους που πέτυχε διεθνής ομάδα επιστημόνων.

Οι εικόνες, οι οποίες δημοσιεύθηκαν στην επιθεώρηση "Science", δείχνουν για πρώτη φορά τις φυσικές διαφορές που παρουσιάζουν οι δεσμοί των ατόμων ανάλογα με το πόσο ισχυροί είναι. Θεωρείται ότι θα προσφέρουν βαθύτερη κατανόηση των χημικών αντιδράσεων και θα βοηθήσουν σημαντικά τους τομείς της νανοεπιστήμης και της νανοτεχνολογίας.

Επίσης, προσφέροντας ένα "εργαλείο" για τη μελέτη της κατανομής των φορτίων η νέα τεχνική απεικόνισης ενδέχεται να οδηγήσει, όπως επισημαίνεται σε ένα δεύτερο σχετικό άρθρο, στη μελλοντική χρήση των μορίων ως μερών σε μικροσκοπικά ηλεκτρονικά κυκλώματα.

Για να σχηματίσουν ένα μόριο τα άτομα δημιουργούν δεσμούς στους οποίους "μοιράζονται" ένα ή περισσότερα από τα εξωτερικά ηλεκτρόνιά τους. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων που μοιράζονται – το αν δηλαδή θα είναι ένα, δυο, τρία ή έξι – καθορίζει το πόσο ισχυρός είναι ο μεταξύ τους δεσμός και κατ’ επέκταση τη γεωμετρική δομή και τη σταθερότητα του μορίου καθώς και το πόσο ενεργό θα είναι στις αντιδράσεις.

Οι εικόνες που δόθηκαν στη δημοσιότητα οπτικοποιούν για πρώτη φορά την ισχύ των δεσμών που συνδέουν τα άτομα, με ένδειξη το μήκος τους. Οι πυκνότεροι σε ηλεκτρόνια ισχυρότεροι δεσμοί εμφανίζονται πιο "κοντοί" και λιγότερο φωτεινοί από τους πιο χαλαρούς "μακρύτερους" δεσμούς. Η διαφορά μήκους είναι βεβαίως υπερβολικά μικρή – μόλις μερικά πικόμετρα ή τρισεκατομμυριοστά του μέτρου.

"Έχουμε ξαναδεί δεσμούς αλλά δεν μπορούσαμε να διακρίνουμε διαφορές μεταξύ τους. Τώρα μπορούμε να απεικονίσουμε αυτές τις μικροσκοπικές διαφορές ανάμεσά τους" δήλωσε ο Λέο Γκρος του Ερευνητικού Κέντρου της IBM στη Ζυρίχη, επικεφαλής της μελέτης που διεξήχθη με τη συνεργασία γαλλικών και ισπανικών ερευνητικών ιδρυμάτων. Το 2009 ο Γκρος είχε επίσης επιτύχει την πρώτη απεικόνιση των χημικών δεσμών ενός μορίου, η οποία όμως ήταν πολύ πιο "θολή" σε σχέση με τη σημερινή.

Ο Γκρος και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν για να επιτύχουν την απεικόνισή τους ένα ειδικά τροποποιημένο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (atomic force microscopy, AFM). Επέλεξαν για τη μελέτη τους φουλερένια – και συγκεκριμένα φουλερένια C₆₀ ή buckyballs, τα οποία προσφέρονται για τέτοιου είδους εγχειρήματα αφού αποτελούν μια άψογα δομημένη "μπάλα" από 60 άτομα άνθρακα.

Επίσης χρησιμοποίησαν μόρια νανογραφενίου καθώς και επίπεδους πολυαρωματικούς υδρογονάνθρακες, όπως το εξαβενζοκορονένιο που συνέθεσαν ειδικά για τη μελέτη. Η δομική συμμετρία που επιδεικνύουν και οι τρεις αυτοί τύποι μορίων επέτρεψαν στους επιστήμονες να διακρίνουν τους δεσμούς των ατόμων από τις "παρεμβολές" που δημιουργούνται στην προσπάθεια απεικόνισής τους.

Πηγή : in.gr

Άγνωστο είδος χημικού δεσμού υπάρχει "μόνο σε νεκρά άστρα"

Οι κανόνες της Χημείας φαίνεται ότι αλλάζουν στους λευκούς νάνους, υπέρπυκνα κατάλοιπα νεκρών άστρων.  (Φωτογραφία : NASA )

Ένα εντελώς διαφορετικό είδος δεσμού πρέπει να υπάρχει στα άστρα νετρονίων και τους λευκούς νάνους, δείχνουν τα υπολογιστικά μοντέλα ερευνητών στη Νορβηγία. Ο λόγος για τον εξωτικό "κάθετο παραμαγνητικό δεσμό".

Οι χημικοί γνωρίζουν σήμερα δύο είδη δεσμών: τους ιοντικούς δεσμούς, στους οποίους ένα ηλεκτρόνιο μεταπηδά από ένα άτομο σε ένα άλλο, αναγκάζοντας τα άτομα να ενωθούν με ηλεκτροστατικές δυνάμεις· και τους ομοιοπολικούς δεσμούς, στους οποίους δύο ή περισσότερα άτομα μοιράζονται τα ίδια ηλεκτρόνια.

Και στις δύο περιπτώσεις, ο δεσμός διαλύεται όταν η ενέργεια των ηλεκτρονίων ξεπεράσει ένα κρίσιμο όριο.

Αυτό όμως φαίνεται πως δεν ισχύει στον παράξενο υποθετικό δεσμό που περιγράφει τώρα ο Τρίβγκε Χελγκάκερ στο περιοδικό Science. H ομάδα του Χελγκάκερ στο Πανεπιστήμιο του Όσλο εξέτασε στον υπολογιστή τι συμβαίνει όταν άτομα υδρογόνου σχηματίζουν δεσμούς κάτω από την επίδραση ακραίων μαγνητικών πεδίων, της τάξης των 100.000 Tesla -δέκα δισεκατομμύρια φορές ισχυρότερα από το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Τα μόρια υδρογόνου (H₂) μπορούν να παρομοιαστούν με δύο σφαίρες που ενώνονται μέσω μιας ράβδου, σε ένα σχήμα που θυμίζει βαράκι γυμναστικής. Όταν εκτεθεί σε σχετικά ασθενή μαγνητικά πεδία, το "βαράκι" προσανατολίζεται έτσι ώστε να είναι παράλληλο με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου.

Οι ερευνητές υπολόγισαν ότι, σε αντίθεση με ό,τι θα φανταζόταν κανείς, το μόριο δεν διασπάται όταν η ενέργεια των ηλεκτρονίων του αυξηθεί από το μαγνητικό πεδίο πέρα από το θεωρητικό όριο. Αντίθετα, το μόριο περιστρέφεται έτσι ώστε ο άξονάς του να είναι κάθετος με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, και ο δεσμός που περιέχει γίνεται ακόμα ισχυρότερος.

Αυτό φαινομενικά παραβιάζει τη λεγόμενη απαγορευτική αρχή του Πάουλι. Σύμφωνα με την αρχή αυτή, τα ηλεκτρόνια ενός ατόμου ή μορίου δεν μπορούν να βρίσκονται στην ίδια κβαντική κατάσταση, γι΄αυτό και τα ηλεκτρόνια ενός δεσμού αναγκαστικά σχηματίζουν ζεύγη με αντίθετες ιδιοστροφορμές (spin).

Όταν όμως ο δεσμός εκτεθεί σε ακραία μαγνητικά πεδία, οι ιδιοστροφορμές όλων των ηλεκτρονίων ευθυγραμμίζονται με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, αναγκάζοντας το ένα από τα δύο ηλεκτρόνια του ζεύγους να μεταπηδήσει σε διαφορετική θέση, ή διαφορετικό τροχιακό, προκειμένου να μην παραβιαστεί η αρχή του Πάουλι.

Η μεταπήδηση αυτή προκαλεί κανονικά τη διάσπαση του δεσμού, εκτός εάν το μόριο εκτεθεί σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, οπότε ευθυγραμμίζεται κάθετα στις γραμμές του πεδίου. "Η χημεία και η μοριακή φυσική αλλάζουν δραματικά παρουσία ενός ισχυρού μαγνητικού πεδίου" σχολιάζουν οι ερευνητές.

Τέτοιοι παραμαγνητικοί δεσμοί, εικάζουν οι ερευνητές, μπορεί να υπάρχουν στα άστρα νετρονίων και τους λευκούς νάνους, κατάλοιπα νεκρών άστρων που έχουν καταρρεύσει υπό το βάρος τους και σχηματίζουν υπέρπυκνα σώματα με ισχυρά μαγνητικά πεδία.

Στην πράξη, πάντως, η ύπαρξη αυτών των δεσμών θα ήταν δύσκολο, αν όχι αδύνατο, να επιβεβαιωθεί πειραματικά : τα μαγνητικά πεδία που θα απαιτούνταν είναι 10.000 φορές ισχυρότερα από τα πεδία που μπορούμε σήμερα να δημιουργήσουμε στη Γη.

Η μόνη ελπίδα για την επιβεβαίωση των θεωρητικών υπολογισμών θα ήταν να επηρεάζουν οι δεσμοί την ακτινοβολία των άστρων νετρονίων και των λευκών νάνων, οπότε η ύπαρξή τους θα γινόταν αντιληπτή στη φασματική υπογραφή αυτών των σωμάτων.

Πηγή : in.gr