Görsel açıklaması: Karbonmonoksit molekülünün tepkimeye giren bileşenleri (solda), bir karbon atomu (siyah) ve bir oksijen atomu (kırmızı) ve hemen sağlarında tek bir oksijen atomu. Atomlar, birini diğerine yaklaştırarak, daha hızlı reaksiyona girmelerine sağlayan Rutenyüm katalizörünün yüzeyine eklenirler ve optik lazer titreşimiyle gerçekleşen reaksiyonlar oluşur; reaksiyonlar gerçekleşirkenki geçiş halleri ilk kez görüntülendi.
Stanford Üniversitesi’ne bağlı Enerji Ofis Birimi tarafından işletilen Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi’nde (SLAC National Accelerator Laboratory) araştırmacılar, atomlardan molekül oluşurken, geçiş evresinde oluşturdukları zayıf bağları X-ışını ile görüntülediler. 12 Şubat’ta Science Express’te yayımlanan bu önemli gelişme, kimyasal reaksiyonların nasıl oluştuğunu anlamak, enerji açığa çıkaran tepkimeler oluşturmak, yeni ürünler elde etmek açısından çok büyük bir öneme sahip. Araştırmaya önderlik eden Anders Nilsson bu gelişme hakkında “Bu olay kimyanın çekirdeği. Bu gelişmeyi Kutsal Kase olarak değerlendiriyoruz, çünkü bu olay kimyasal reaktifliği kontrol ediyor. Az sayıda molekül için geçerli olduğundan, geçiş evresini herhangi bir zamanda gözlemlemenin mümkün olmadığı düşünülüyordu” dedi.
Parlak ve hızlı lazer titreşimleri imkânsızı başardı
SLAC’a bağlı LCLS (Linac Coherent Light Source) merkezinde gerçekleştirilen deneyde, hızla tekrarlanan, elektronik flaşa benzeyen X-ışını lazeri titreşimleri atomları ve molekülleri aydınlatmaya yetecek kadar kısa, aynı zamanda kimyasal reaksiyonları daha önce mümkün olmayan bir şekilde gözler önüne serecek kadar hızlıydı. Araştırmacılar LCLS’de, bir katalitik çevirici kullanarak araba egzozundan çıkan karbonmonoksit gazını etkisizleştiren reaksiyonun üzerinde çalıştılar. Katalizörün yüzeyinde gerçekleşen bu reaksiyonda karbonmonoksit ve oksijen atomları katalizör yüzeyinde tutuldu ve böylece daha kolay bir araya gelip karbondioksit oluşturabildiler. SLAC deneylerinde, araştırmacılar karbonmonoksit ve oksijen atomlarını rutenyum katalizörünün yüzeyine bağladılar ve optik lazer titreşimiyle gerçekleşen reaksiyonlar elde ettiler. Bu titreşim katalizörü 2000 Kelvin dereceye (3000 Fahrenhayt dereceden yüksek bir sıcaklık) kadar ısıttı ve yüzeye bağlanan kimyasalların titreşimini sağladı. Bu titreşimle beraber, kimyasalların birbiriyle etkileşime girme ihtimali büyük ölçüde artmış oldu. Araştırmacılar, atomların elektronlarındaki saniyenin katrilyonda birinde olan değişimleri, gözlenmesi zor olan bağ oluşumunun başlangıç aşamasını X-ışını lazerinin titreşimleri sayesinde gözlemleyebildiler. “Önce oksijen atomları aktifleşti, biraz sonrasında ise karbonmonoksit aktive oldu. Titreşmeye başladılar, saniyenin trilyonda biri kadar bir zaman sonra çarpışmaya başladılar ve bu geçiş halini oluşturdular” diyor Nilsson.
Misketleri yokuş yukarı yuvarlamak
Araştırmacılar tepkimeye girenlerin birçoğunun geçiş evresine geçtiğini, çok az bir kısmının stabil karbondioksiti oluşturduğunu ve geri kalanının ayrıldığını görünce çok şaşırdı. “Bu olay, misketleri yokuştan yukarı yuvarlayıp misketlerin çoğunun yukarıya kadar çıkıp sonra geri yuvalanmasına benziyor. Çoğu girişimden sadece birkaç reaksiyon son ürünün oluşumuna kadar devam edebiliyor. Bu gördüğümüzü anlamak için çok çabalamamız gerekecek” diyor Nilsson.
Neler olabileceğini öngörmek ve neye bakılması gerektiği hakkında fikir sahibi olmak ile beraber teori, deneylerde çok önemli bir rol oynadı. Raporun diğer yazarı Frank Abild-Pedersen, “Bu teorik kimyacılar için çok ilgi çekici bir olay” diyor. Stockholm Üniversitesi’den Doç. Dr. Henrik Öström tarafından oluşturulan bir takım, reaksiyonların optik lazerle nasıl tetikleneceğine dair yapılan ilk çalışmaları yürüttü. Teorik spektrum, Stockholm Profesörü Lars G. M. Pettersson liderliğinde hesaplandı. İlk deneyler SLAC’s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) merkezinde yürütüldü. SSRL’den Hirohito Ogasawara ve SUNCAT’den Jerry LaRue kimyasal tepkimeye girenlerin karekterlerini yoğun X-ışını kullanarak ölçtü. Buna bağlı olarak ışın süresinin seyrek olduğu LCLS’deki araştırmacılar her şeyi doğru tanımladıklarına emin oldular. “SSRL olmasaydı bu iş yürümezdi” diyor Nilsson.
Araştırmacılar şimdiden endüstri için önemli olan kimyasalların başka katalitik reaksiyonlardaki geçiş evresinin ölçümüne başladılar. “Bu çok önemli bir gelişme çünkü yeni katalizörler bulmayı sağlayacak bilimsel dayananağın içyüzünü aydınlatıyor” diyor SUNCAT direktörü.
Hazırlayan: Cansu Utku
Boğaziçi Ünv. Kimya Blm
Kaynak: http://phys.org/news/2015-02-scientists-glimpse-chemical-bond-born.html
