Son derece büyük elektrik alanları şemsiye şeklindeki amonyak moleküllerinin ters çevrilmesini önleyebilir.
Kimyacılar, amonyak moleküllerinin normal ve ters çevrilmiş durumlar arasında geçiş yapma kabiliyetini değiştirmek için, çok büyük bir elektrik alanı kullanarak, Kuantum Tünel adı verilen bir olgunun özelliklerini göstermiştir.
Bir amonyak molekülü olan NH3 tipik olarak; bir merkezi azot atomunun etrafındaki düzlemsel olmayan bir düzenlemeyle yayılan üç hidrojen atomu ile bir şemsiye şekli olarak mevcuttur. Bu şemsiye yapının çok sağlam olması ve normal olarak ters çevrilmesi için büyük miktarda enerji gerektirmesi beklenir.
Bununla birlikte, tünel olarak adlandırılan bir kuantum mekaniksel fenomen; amonyak ve diğer moleküllerin eş zamanlı olarak yasaklı bir yüksek enerji bariyeri ile ayrılan geometrik yapılarda yaşamasına izin verir. Robert Field, Robert T. Haslam ve MIT’deki Bradley Dewey gibi kimyagerlerden oluşan bir ekip; bu olguyu normal ve ters çevrilmiş olan amonyak moleküllerinin eşzamanlı işgalini bastırmak için çok büyük bir elektrik alanı kullanarak inceledi.
Araştırmacı Field: “Tünel fenomeninin güzel bir örneği ve kuantum mekaniğinin harika bir garipliğini ortaya koyuyor.”
İnversiyon* Bastırılması
Seul Ulusal Üniversitesi’nde yapılan deneyler; araştırmacıların iki elektrot arasına yerleştirilmiş bir numuneye çok büyük bir elektrik alanı (metre başına 200.000.000 volt’a kadar) uygulamak için yeni yöntemiyle sağlandı. Bu montaj sadece birkaç yüz nanometre kalınlığındadır ve kendisine uygulanan elektrik alanı, bitişik moleküller arasındaki etkileşimler kadar güçlü kuvvetler üretir.
Araştırmacı Field: “İki molekülün birbirine yaklaşırken yaşadıkları alanlarla neredeyse aynı büyüklükte olan bu dev alanları uygulayabiliriz. Bu, moleküllerin kendilerinin yapabildikleri ile eşit bir oyun alanında faaliyet göstermek için harici bir araç kullandığımız anlamına geliyor. Ayrıca, araştırmacıların, kuantum mekaniğinin “ürkütücü” olaylarından birini göstermek için sık sık kimya derslerinde kullanılan bir fenomen olan kuantum tünellerini keşfetmelerini sağladı.”
Olay; bir vadide yürüyüş yaparken, bir sonraki vadiye ulaşmak için büyük çaba gerektiren büyük bir dağa tırmanmayı gerektirmesine benziyor. Bir sonraki vadiye ulaşmak için dağın içinden tünel açabilir. Kuantum mekaniğinin belirli koşullar altında izin verdiği şey de budur. Bu; eğer iki vadi de aynı şekle sahipse, aynı anda her iki vadide de bulunacağını gösteriyor.
Amonyak durumunda, ilk vadi düşük enerjili, istikrarlı şemsiye halidir. Molekülün diğer vadiye (tam olarak aynı düşük enerjiye sahip olan ters çevrilmiş duruma) ulaşması için klasik olarak çok yüksek enerjili bir duruma yükselmesi gerekir. Bununla birlikte, kuantum mekanik olarak; izole edilmiş molekül her iki vadide de eşit olasılıkla var olur.
Kuantum mekaniği altında; amonyak gibi bir molekülün olası durumları, karakteristik bir enerji seviyesi modeli olarak tanımlanmaktadır. Molekül başlangıçta normal ya da ters çevrilmiş yapıda bulunur, ancak kendiliğinden diğer yapıya tünel açabilir. Bu tünelleşmenin gerçekleşmesi için gereken süre; enerji seviyesi düzeninde kodlanır. İki yapı arasındaki bariyer yüksekse; tünel açma süresi uzundur. Güçlü bir elektrik alanın uygulanması gibi belirli koşullar altında; normal ve ters yapılar arasında tünel bastırılabilir.
Amonyak için, güçlü bir elektrik alana maruz kalmak; bir yapının enerjisini düşürür ve diğer (ters çevrilmiş) yapının enerjisini yükseltir. Sonuç olarak; tüm amonyak molekülleri düşük enerji durumunda bulunabilir. Araştırmacılar bunu; 10 Kelvin’de katmanlı bir argon-amonyak-argon yapısı oluşturarak gösterdi. Argon; 10 K’da katı olan bir inert gazdır. Ancak amonyak molekülleri argon katı içinde serbestçe dönebilir. Elektrik alanı arttıkça; amonyak moleküllerinin enerji halleri, moleküllerin normal ve ters çevrilmiş hallerde bulunma olasılıkları giderek daha da uzaklaşacak şekilde değişir ve tünelleme artık gerçekleşemez.
Bu etki tamamen ters çevrilebilir ve tahribatsızdır: Elektrik alanı azaldıkça, amonyak molekülleri her iki kuyucukta aynı anda olma durumlarına geri döner.
Engelleri Azaltmak
Field; birçok molekül için tünel açmanın önündeki engellerin o kadar yüksek olduğunu, tünelin evrenin ömrü boyunca asla gerçekleşmeyeceğini söylüyor. Bununla birlikte, uygulanan elektrik alanın dikkatli bir şekilde ayarlanmasıyla tünele indüklenebilen amonyaktan başka moleküller de vardır. Meslektaşları şimdi bu yaklaşımı bu moleküllerin bazılarıyla kullanmak için çalışıyor.
Field: “Amonyak; yüksek simetri ve özel olarak tünel açma konusunda tartışılabilecek ilk örnek olması nedeniyle özeldir. Bununla birlikte, bunun sömürülebileceği pek çok örnek var. Elektrik alanı, çok büyük olduğu için; gerçek kimyasal etkileşimlerle aynı ölçekte hareket edebiliyor. Çünkü moleküler dinamikleri dışsal olarak manipüle etmenin güçlü bir yolunu sunuyor.”
* İnversiyon, kromozomda bir parçanın 180⁰ ters dönerek tekrar aynı kromozoma bağlanması şeklinde görülen kromozom anomalilerindendir.
