Οι Φυσικοί Μόλις Ανακάλυψαν ότι Μία Από Τις Δυνάμεις που Συγκρατούν το Σύμπαν Μπορεί Επίσης και να Το Διαλύσει

  Ερευνητές απέδειξαν πρόσφατα ότι μία μορφή δύναμης που προκαλεί τη σύντομη προσέλκυση των μορίων μεταξύ τους διαθέτει και μία άλλη ιδιότητα, αυτήν της άπωσης, ακόμη κι όταν τα μόρια δεν βρίσκονται υπό πίεση.

  Από τη στιγμή που ανακαλύφθηκαν το 1930, οι δυνάμεις van der Waal  θεωρούνται περισσότερο  δυνάμεις έλξης, αλλά φαίνεται πως έχουν την τάση να απωθούν μόνο όταν τα μόρια βρίσκονται υπό πίεση. Σύμφωνα με νέες μελέτες η αντιστροφή αυτή ενδεχομένως να λαμβάνει χώρα στον πραγματικό κόσμο όπου τα σμήνη των μορίων συνωστίζονται ατάκτως, μία ιδέα που θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο που προσεγγίζουμε τα πάντα, από την πρωτεϊνική αναδίπλωση έως τη  νανοτεχνολογία.

  Εφαρμόζοντας ένα μοντέλο, το οποίο μιμείται τον τρόπο που τα φορτία των σωματιδίων πολώνονται υπό συγκεκριμένες συνθήκες και κατόπιν, συγκρίνοντας τα ευρήματά τους με αποτελέσματα που προκύπτουν από πειράματα, οι ερευνητές απέδειξαν ότι οι δυνάμεις van der Waal ενδεχομένως να λειτουργήσουν με την ιδιότητα της άπωσης, όταν η αναμενόμενη είναι αυτή της έλξης.

Για να γίνει καλύτερα κατανοητό τι ακριβώς σημαίνει αυτό, θα πρέπει να κατανοήσουμε ότι οι δυνάμεις van der Waal λειτουργούν σαν τον μικρό αδερφό των δεσμών που συνδέουν τα άτομα μεταξύ τους.

Δεδομένου, ότι η πραγματικότητα είναι λίγο πιο περίπλοκη, μπορεί κανείς να λάβει υπ΄όψιν τα ηλεκτρόνια ως αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που κινούνται γύρω από έναν θετικά φορτισμένο πυρήνα. Καθώς κινούνται, είναι πολύ πιθανότερο, να καταλάβουν ορισμένες περιοχές γύρω από το άτομο, σε σύγκριση με άλλες, γεγονός που εξαρτάται από τις τυχόν απώσεις στην κοντινή περιοχή.

Το φαινόμενο αυτό αναφέρεται ως πυκνότητα φορτίου ηλεκτρονίων.

Τα μόρια που έχουν άτομα αναντίστοιχου μεγέθους, όπως το νερό με τα μικροσκοπικά άτομα υδρογόνου και τα γιγάντια άτομα οξυγόνου, ενδεχομένως να εμπλέκονται σε μία ανισόρροπη διελκυστίνδα με τα κοινά τους ηλεκτρόνια, γεγονός που οδηγεί σε έναν συνωστισμό γύρω από το μόριο.

Λαμβάνοντας υπ΄όψιν ότι τα σωματίδια ιδίου φορτίου λειτουργούν απωθητικά μεταξύ τους, ο «συνωστισμός»  ηλεκτρονίων  έχει ως αποτέλεσμα αυτό το τμήμα του μορίου να είναι περισσότερο αρνητικά φορτισμένο, οπότε απωθούνται προς ζώνες άλλων μορίων που το φορτίο τους είναι περισσότερο θετικά φορτισμένο.

Αυτός ο χαλαρός δεσμός είναι η αιτία που τα μόρια Η₂Ο τείνουν να προσκολλώνται περισσότερο μεταξύ τους, δίνοντας στο υγρό μία υψηλή τάση επιφάνειας η οποία προκαλεί έντονο πόνο όταν κάποιος βουτάει στην πισίνα με την κοιλιά.

Οι δυνάμεις Van der Waal μοιάζουν με τους λεγόμενους δεσμούς υδρογόνου, ωστόσο αφορούν μόρια που το μέγεθος των ατόμων τους δεν βρίσκεται σε μεγάλη ανισορροπία. Σε αυτή την περίτωση, τα ηλεκτρόνια στιγμιαία στοιβάζονται σε μία περιοχή με αποτέλεσμα να απωθούν τα ηλεκτρόνια ενός άλλου ατόμου που βρίσκεται σε κοντινή απόσταση, δημιουργώντας έτσι ένα παροδικό δεσμό.

Σε σύγκριση με άλλες μορφές χημικών δεσμών, συμπεριλαμβανομένων του δεσμού υδρογόνου, οι δυνάμεις van der Waal δεν είναι ακριβώς τόσο ισχυρές και προϋποθέτουν τα μόρια να βρίσκονται σχετικά κοντά το ένα με το άλλο για να δράσουν.

“Τα εγχειρίδια μέχρι στιγμής υποθέτουν ότι οι δυνάμεις είναι αποκλειστικά ελκυστικές. Για μας, το ενδιαφέρον ερώτημα είναι εάν μπορούν να λειτουργήσουν και απωθητικά”, λέει ο ερευνητής Alexandre Tkatchenko από το Πανεπιστήμιο του Λουξεμβούργου.

Η συμπίεση των μορίων που βρίσκονται κοντά το ένα με το άλλο ενδεχομένως να προκαλέσει μετατόπιση της πυκνότητας φορτίου ηλεκτρονίων τους, προκαλώντας άπωση μεταξύ των μορίων.

Η πλειονότητα των μοντέλων μελετών που αφορά τις δυνάμεις van der Waal βασίζεται σε ζεύγη μορίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε ελεύθερο χώρο. Οι ερευνητές ενδιαφέρονται να μάθουν εάν παρόμοιες συμπεριφορές ηλεκτρονίων ενδεχομένως να λειτουργούν απωθητικά σε συνθήκες συνωστισμού μορίων, τα οποία δεν βρίσκονται υπό υψηλή πίεση.

Στο πείραμα χρησιμοποιήθηκε ένα πρότυπο που ονομάζεται ταλαντωτής Drude  για να μιμηθεί τις κυμαινόμενες πυκνότητες φορτίου γύρω από σωματίδια σε περιορισμένο χώρο. Το πείραμα προσέγγισε τις αλληλεπιδράσεις ως κβαντικά συστήματα βασισμένα σε κύματα και όχι στο παραδοσιακό πλαίσιο διασποράς πολλών σωμάτων που βασιζόταν στα σωματίδια.

Η νέα τους κβαντομηχανική μέθοδος ερμήνευσε τις παρατηρήσεις καλύτερα σε σχέση  με τις προηγούμενες ερμηνείες, αποδεικνύοντας ότι oι μικρές έλξεις μεταξύ μορίων σε μικρές αποστάσεις, ενδεχομένως, μερικές φορές,  να μετατραπούν σε περιστασιακές απώσεις, ακόμα και όταν δεν συμπιέζονται μεταξύ τους.

“Θα μπορούσαμε να εκλογικεύσουμε αρκετά αποτελέσματα προηγούμενων πειραμάτων, τα οποία παρέμεναν ανεξήγητα έως τώρα. Η νέα μας θεωρία, για πρώτη φορά, επιτρέπει μία ερμηνεία αρκετών ενδιαφέροντων φαινομένων που παρατηρούνται σε μόρια που βρίσκονται σε περιορισμένο χώρο” αναφέρει ο ερευνητής και υπεύθυνος ανάπτυξης του προτύπου, Mainak Sadhukhan.

Αν και φευγαλέες και μικροσκοπικές, οι δυνάμεις van der Waal είναι συλλογικοί δεσμοί που πρέπει να εκτιμηθούν και να ληφθούν σοβαρά υπ’όψιν, ειδικά στη χημεία περίπλοκων διεργασιών που αφορά σε διαφορετικά μόρια, όπως αυτά που υπάρχουν μέσα στα κύτταρα μας.

Δεν υπάρχει μόνο ακαδημαϊκά ενδιαφέρον για το ότι οι δυνάμεις αυτές μπορούν, ενίοτε, να λειτουργήσουν με την ιδιότητα της άπωσης· ενδεχομένως η θεωρία αυτή να έχει επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο αναπτύσσουμε νέα φαρμακευτικά προϊόντα, προσεγγίζουμε την τεχνολογία αφαλάτωσης, ή ακόμα και στον τρόπο με τον οποίο περιφέρονται τα μόρια στις νέες μορφές νανοτεχνολογίας.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Physical Review Letters.

Λ.Τ.

share24.gr / Επιστημονικά Νέα

Για περισσότερα νέα σχετικά με Επιστήμες κάντε like στην σελίδα στο facebook —> Επιστημονικά Νέα

Κάθε αναδημοσίευση ολική η μερική σε άλλο ιστότοπο θα πρέπει να γίνεται υποχρεωτικά με αναφορά πηγής στο site μας και σύνδεσμο (link) στο άρθρο, καθώς και στη σελίδα Επιστημονικά Νέα στο facebook επίσης με ενεργό σύνδεσμο. Σε κάθε άλλη περίπτωση η αναδημοσίευση απαγορεύεται. Κάθε αναδημοσίευση σε έντυπο μέσο απαγορεύεται.