Tyrėjai pirmą kartą ištyrė, kaip dvi skirtingos vandens formos (orto- ir para-) elgiasi skirtingai cheminių reakcijų metu.
Vanduo yra cheminis darinys, molekulė, kurioje vienas deguonies atomas yra sujungtas su dviem vandenilio atomais (H2O). Vanduo egzistuoja skysto, kieto (ledo) ir dujų (garų) pavidalu. Tai viena iš nedaugelio cheminių medžiagų, kurioje nėra anglies ir kurios vis tiek gali būti skystos kambario temperatūroje (apie 20 laipsnių). Vanduo yra visur esantis ir svarbus gyvybei. Molekuliniu lygmeniu gerai žinoma, kad kasdienis vanduo egzistuoja dviem skirtingomis formomis, tačiau ši informacija nėra visuotinai žinoma. Šios dvi vandens formos vadinamos izomerais ir yra vadinamos orto- arba para- vandeniu . Pagrindinis skirtumas tarp šių formų yra labai subtilus ir yra tiesiog dviejų vandenilio atomų branduolių sukinių, kurie yra išsidėstę ta pačia arba priešinga kryptimi, branduolių sukinių orientacija, iš čia ir kilo jų pavadinimai. Šis vandenilio atomų sukinys yra atominės fizikos pasekmė, nors šis reiškinys dar nėra iki galo suprastas. Šios dvi formos turi identiškas fizines savybes, ir iki šiol buvo manoma, kad jos taip pat turėtų turėti identiškas chemines savybes.
Nesenčiame žurnale „Nature Communications“ paskelbtame tyrime Bazelio universiteto Hamburge tyrėjai pirmą kartą ištyrė šių dviejų vandens formų cheminio reaktyvumo skirtumus ir įrodė, kad orto- ir para- formos reaguoja labai skirtingai. Cheminis reaktyvumas reiškia molekulės cheminės reakcijos būdą arba gebėjimą. Tyrimo metu vanduo buvo atskirtas į dvi izomerines formas (orto- ir para-), naudojant elektrostatinį deflektorių, įjungiant elektrinius laukus. Kadangi abu šie izomerai yra praktiškai vienodi ir turi identiškas fizines savybes, šis atskyrimo procesas yra sudėtingas ir iššūkių kupinas. Atskyrimą ši tyrėjų grupė atliko naudodama laisvųjų elektronų lazerių mokslui sukurtą elektrinių laukų metodą. Deflektorius į atomizuoto vandens spindulį įveda elektrinį lauką. Kadangi abiejų izomerų branduolių sukinys labai skiriasi, tai šiek tiek veikia atomų sąveiką su šiuo elektriniu lauku. Todėl vandeniui judant per deflektorių, jis pradeda skilti į dvi formas – orto- ir para-.
Tyrėjai įrodė, kad paravanduo reaguoja maždaug 25 procentais greičiau nei ortovanduo ir gali stipriau pritraukti reakcijos partnerį . Tai neabejotinai paaiškinama branduolių sukinio skirtumu, kuris įtakoja vandens molekulių sukimąsi. Be to, paravandens elektrinis laukas gali greičiau pritraukti jonus. Grupė taip pat atliko vandens molekulių kompiuterinius modeliavimus, kad patvirtintų savo išvadas. Visi eksperimentai buvo atlikti su molekulėmis labai žemoje temperatūroje, beveik -273 laipsniais Celsijaus. Tai svarbus veiksnys, kaip paaiškina autoriai, kad tik tokiomis sąlygomis galima gerai apibrėžti ir geriau kontroliuoti atskiras molekulių kvantines būsenas ir energijos kiekį. Tai reiškia, kad vandens molekulė stabilizuojasi bet kuria iš dviejų savo formų, o jų skirtumai tampa akivaizdūs ir aiškūs. Taigi, tiriant chemines reakcijas galima atskleisti pagrindinius mechanizmus ir dinamiką, o tai padėtų geriau suprasti. Tačiau praktinis šio tyrimo panaudojimas šiuo metu gali būti nelabai didelis.
***
Šaltiniai)
Kilaj A ir kt., 2018. Skirtingo para ir orto-vandens reaktyvumo stebėjimas įstrigusių diazenilio jonų atžvilgiu. „ Nature Communications“ . 9(1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
***
