Hiánypótló kortárs természettudományos ismeretterjesztő cikkek magyarul

Derült Égből Tudomány

Kvantumalagút egy vízcseppben

Fény derült egy nagy rejtélyre a hidrogénkötés működésében

2016. március 31. - Bodóné Hofecker Zsuzsanna

allan_foster.jpg

Flickr Allan Foster

Könnyű a kvantumok világát a hétköznapi tapasztalattól végtelenül távolinak tekinteni, pedig bizonyos kvantumszintű okokra visszavezethető jelenségeket nap, mint nap megtapasztalunk. Ilyen például a felületi feszültség, amely miatt kisebb vízhegyet tudunk építeni egy érmére, vagy púposra tölthetjük a poharat. Ezt a cseppet összetartó erőt egy nemrégiben megjelent tanulmány szerint részben annak köszönhetjük, hogy a vízmolekulák a kvantummechanikai alagúthatás segítségével fogaskerekek mintájára változtatnak helyet. Hogy mi?

A vízmolekulákat egy nagy oxigénatom és két kicsi hidrogénatom alkotja, a három atommag csoportját pedig körbenyüzsgik az elektronok. Az elektronok átlagosan több időt töltenek az oxigénatommag körül, mint a hidrogénmagok körül, ennek következtében az oxigén enyhén negatív töltésűvé válik, a hidrogének pedig enyhén pozitívvá.

Ezért ha két vízmolekulát egymás mellé teszünk, az egyik oxigénje vonzani kezdi a másik hidrogénjét, és egészen közel húzódnak egymáshoz. Ha egy csomó vízmolekulát engedünk össze, akkor pedig mindig fejtől-lábtól rendezik el magukat, vagyis a molekula oxigénje mindig két másik molekula hidrogénjeihez esik, és egyfajta rácsszerkezetet alkot.

Aztán viszont – mivel a molekulák nyugtalan természetüktől fogva szüntelenül fickándoznak – időről időre megszakítják a kapcsolatot az addigi szomszédjaikkal, és csatlakoznak egy másik bagázshoz. A fentebb leírt vonzást és a helycserélgetés folyamatát együttesen hidrogénkötésnek nevezik, és ez a jelenség áll a felületi feszültség hátterében: ezért tapadnak a molekulák inkább egymáshoz – pl. a cseppekben –, és nem terülnek annyira szét a felületen.

louis_shackleton.jpg

Flickr – Louis Shakleton

E magyarázatban azonban eddig akadt néhány fehér folt. Ha az összes vízmolekulának megvan a helye a rácsban, hogyan talál bármelyikük új partnereket magának úgy, hogy nem teszi tönkre az egész szerkezetet? És mi történik akkor, ha nincs akkora energiája a molekuláknak, hogy fickándozzanak? Összeomlik a csepp?

Ezekre a kérdésekre keresték és találták is meg a választ a Cambridge-i Egyetem fizikusai. Szuperhideg, azaz rendkívül alacsony energiájú körülmények között vizsgálódtak a legkisebb lehetséges (jég?)cseppen, egy hat vízmolekulából álló struktúrán. Hat részecske még éppen képes háromdimenziós elrendezést felvenni.

Először annak jártak utána, mi történik, amikor egy molekula helyet változtat. Azt derítették ki, hogy soha nem egyetlen molekula vált, hanem azok mindig párosával cserélnek pozíciót – valahogy úgy, ahogy az egymásba kapaszkodó fogaskerekek fogai jönnek egymás után. Amikor az egyik szakít az addigi helyével, felszabadít egy hidrogénkötésre alkalmas rácspontot, amelybe egy másik beleugrik, és így tovább. A vízmolekulák sohasem árulnak tehát petrezselymet.

16102454201_0daf7062c9_k.jpg

Flickr – David Luders

De ez még nem minden. A kísérlet részecskéinek elvileg nem volt elegendő energiája ahhoz, hogy maguktól partnert váltsanak, ennek tisztázására a kutatócsapat szimulációkhoz fordult.

A kvantumrészecskéknek nincsen (és ezzel együtt semminek a világegyetemben) pontosan meghatározható pozíciója. Ehelyett a helyzetük valószínűsége eloszlik a térben: a legvalószínűbb, hogy ott találunk rájuk, ahol számítunk is rá, azonban az is megeshet, hogy valahol ott bukkannak fel, ahová az energiaszintjük szerint el sem juthattak volna. Ez az effektus olyan, mintha falnak dobnánk a labdát, de ahelyett, hogy visszapattanna, a másik oldalra jutna az akadály áttörése nélkül. A labdánk látszólag rátalált egy alagútra a mi oldalunk és a fal másik fele közt, pedig ilyen alagút nem is létezik.

Éppen így tud a víz is partnert cserélni a Science-ben nemrégiben közölt szimulációk alapján. Ha a molekulák nem ficeregnek ahhoz eléggé, hogy maguktól váltsanak párt, inkább az alagúthatás jelenségével teszik azt, és így indítják be a molekuláris óraművet. Nem keresgélik maguk körül a partnert, hanem egyszer csak éppen a kiszemeltük mellett tűnnek fel, és azonnal lecsapják a másik kezéről. A páronként együttműködő molekulák sorban összehangolják az alagutazást, így semelyik soha nem marad pár nélkül.

Nem semmi egy vízcseppecskétől!

Kövesd a blogot a Facebookon, hogy még több érdekes, eddig magyarul nem olvasható tudományos hírről értesülj! A tudomány letaglóz, derült égből tudomány!

Forrás:

http://www.sciencealert.com/physicists-have-finally-solved-a-key-mystery-in-how-hydrogen-bonding-works

A tanulmány:

http://science.sciencemag.org/content/351/6279/1310

A bejegyzés trackback címe:

https://derultegboltudomany.blog.hu/api/trackback/id/tr18549090

Kommentek:

A hozzászólások a vonatkozó jogszabályok  értelmében felhasználói tartalomnak minősülnek, értük a szolgáltatás technikai  üzemeltetője semmilyen felelősséget nem vállal, azokat nem ellenőrzi. Kifogás esetén forduljon a blog szerkesztőjéhez. Részletek a  Felhasználási feltételekben és az adatvédelmi tájékoztatóban.