Όλοι θυμόμαστε από τα σχολικά μας χρόνια τους κλασικούς κανόνες της Χημείας: Τα άτομα ενώνονται μεταξύ τους μοιράζοντας ηλεκτρόνια, σχηματίζοντας σταθερούς δεσμούς που θυμίζουν μικρές, ακλόνητες «γέφυρες». Αυτό το απλό και δοκιμασμένο μοντέλο μάς βοήθησε να κατανοήσουμε πώς είναι φτιαγμένος ο κόσμος γύρω μας. Τι συμβαίνει όμως όταν μπαίνουν στο παιχνίδι τα πιο βαριά στοιχεία του σύμπαντος;
Μια νέα, εντυπωσιακή ανακάλυψη έρχεται να ταράξει τα νερά της επιστήμης, αποδεικνύοντας ότι εκεί που η Χημεία συναντά την ακραία Φυσική, οι παραδοσιακοί κανόνες παύουν να ισχύουν.
Επιστήμονες ανακάλυψαν άμεσες αποδείξεις ότι η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα σχηματίζουν τριπλούς χημικούς δεσμούς στα βαρέα στοιχεία. Ένας θεμελιώδης κανόνας των χημικών δεσμών αρχίζει να καταρρέει όταν τα άτομα γίνονται αρκετά βαριά.
Χημικοί στο Πανεπιστήμιο Μπράουν (Brown) βρήκαν άμεσες πειραματικές αποδείξεις ότι η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν μεταβάλλει τη δομή των τριπλών δεσμών, αμφισβητώντας ένα μοντέλο που διδάσκεται στις τάξεις της χημείας εδώ και γενιές.
Η ανακάλυψη, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, προέρχεται από πειράματα στα οποία συμμετείχαν ο άνθρακας και το βισμούθιο -ένα βαρύ στοιχείο του οποίου τα ηλεκτρόνια επηρεάζονται έντονα από τα σχετικιστικά φαινόμενα. «Η ιδέα ότι η σχετικότητα είναι σημαντική στα βαρέα στοιχεία υπάρχει από τη δεκαετία του 1970», δήλωσε ο Λάι-Σενγκ Γουάνγκ (Lai-Sheng Wang), καθηγητής χημείας στο Μπράουν και κύριος συγγραφέας της μελέτης. «Όμως, εμείς παρουσιάζουμε άμεσες φασματοσκοπικές αποδείξεις ότι όσα μάθαμε στο λύκειο για τους χημικούς δεσμούς δεν ισχύουν στα βαρέα στοιχεία».
Πώς η σχετικότητα ανατρέπει τους χημικούς δεσμούς
Οι χημικοί δεσμοί σχηματίζονται όταν τα άτομα μοιράζονται ηλεκτρόνια, δημιουργώντας μια έλξη που συγκρατεί τους θετικά φορτισμένους πυρήνες τους. Στην κλασική περιγραφή ενός τριπλού δεσμού, τρία κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων δημιουργούν έναν δεσμό σίγμα (σ) και δύο δεσμούς πι (π).
Ο δεσμός σίγμα σχηματίζεται μέσω της άμεσης επικάλυψης κατά μήκος του άξονα που συνδέει τους πυρήνες, ενώ οι δεσμοί πι περιλαμβάνουν ηλεκτρονιακή πυκνότητα που εκτείνεται εκατέρωθεν αυτού του άξονα. Αυτή η διάταξη περιγράφει με ακρίβεια πολλούς δεσμούς στους οποίους συμμετέχουν ελαφρύτερα στοιχεία. Στα βαρύτερα άτομα, ωστόσο, το ισχυρό θετικό φορτίο του πυρήνα αναγκάζει ορισμένα ηλεκτρόνια να κινούνται με ταχύτητες όπου τα σχετικιστικά φαινόμενα γίνονται σημαντικά.
Αυτά τα φαινόμενα ενισχύουν ένα φαινόμενο που ονομάζεται σύζευξη σπιν-τροχιάς (spin-orbit coupling), το οποίο συνδέει το σπιν ενός ηλεκτρονίου με την τροχιακή του κίνηση και αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο τα ηλεκτρoνια συμμετέχουν στον δεσμό. «Τα όρια μεταξύ ενός δεσμού σίγμα και ενός δεσμού πι είναι πλέον κατά κάποιο τρόπο θολά», δήλωσε ο Γουάνγκ. «Εξακολουθούμε να έχουμε τρεις δεσμούς, αλλά δεν έχουμε πλέον αυστηρά έναν δεσμό σίγμα ή έναν δεσμό πι».
Τα πειράματα αποκαλύπτουν έναν «άγνωστο» τριπλό δεσμό
Για να διερευνήσουν αυτό το φαινόμενο, οι διδακτορικοί φοιτητές του Μπράουν, Ντενίζ Καχραμάν (Deniz Kahraman) και Τζιέ Χουί (Jie Hui), συνεργαζόμενοι με τον Γουάνγκ και την υπόλοιπη ομάδα τους, δημιούργησαν μόρια που περιείχαν άνθρακα και βισμούθιο.
Ψύχραναν τα μόρια σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν προτού τα εξετάσουν με φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων -μια τεχνική που χρησιμοποιεί φως για να αποβάλλει ηλεκτρόνια και μετρά την ενέργειά τους για να προσδιορίσει πόσο ισχυρά ήταν συνδεδεμένα. Τα φάσματα που προέκυψαν παρείχαν αποδείξεις για έναν τριπλό δεσμό εντελώς διαφορετικό από την κλασική διάταξη.
Αντί για έναν δεσμό σίγμα και δύο δεσμούς πι, ο δεσμός άνθρακα-βισμούθιου παρουσίασε χαρακτηριστικά που αντιστοιχούν σε έναν δεσμό πι και δύο υβριδικούς δεσμούς σίγμα-πι. Αυτή η δομή, που παρατηρήθηκε πειραματικά, επιβεβαιώνει τις θεωρητικές προβλέψεις ότι η σχετικιστική σύζευξη σπιν-τροχιάς μπορεί να αλλάξει ριζικά τον χημικό δεσμό στα βαρέα στοιχεία.
Οι προεκτάσεις της ανακάλυψης: Από τη θεωρία στα υλικά του μέλλοντος
Τα ευρήματα αυτά θα μπορούσαν να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο οι χημικοί περιγράφουν τους δεσμούς στους οποίους συμμετέχουν βαρέα στοιχεία, ιδιαίτερα καθώς οι ερευνητές εξερευνούν τις δυνατότητες τους σε τεχνολογίες αιχμής. Το βισμούθιο έχει τραβήξει την προσοχή ως μια πιθανή εναλλακτική λύση απέναντι στο τοξικό μόλυβδο για τα ηλιακά κύτταρα επόμενης γενιάς.
Εξετάζεται επίσης στα κβαντικά υλικά και σε έρευνες που σχετίζονται με την κβαντική υπολογιστική. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα σχετικιστικά φαινόμενα επηρεάζουν τους χημικούς δεσμούς του μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να αναπτύξουν ακριβέστερες περιγραφές για τις ενώσεις που περιέχουν βισμούθιο, καθώς και για άλλα υλικά με βαρέα στοιχεία.
Οι νέες αποδείξεις θα μπορούσαν τελικά να αλλάξουν τον τρόπο με τον οποίο αυτοί οι δεσμοί παρουσιάζονται στα σχολικά και πανεπιστημιακά βιβλία χημείας. «Ίσως αυτό να γίνει η νέα θεωρία των σχολικών βιβλίων, καθώς ασχολούμαστε όλο και περισσότερο με τη χημεία των βαρέων στοιχείων», δήλωσε ο Γουάνγκ.