MOLEKULI ZA AMONIA ZINAZOPINDUKA KAMA MWAVULI

Maji na silikoni ya kimiminika yanadaiwa sifa zao nyingi za ajabu na mtandao wazi wa vifungo vyenye mwelekeo. Vimiminika sahili, kinyume chake, vimebanana tu. Amonia ya kimiminika iko katikati. Kila molekuli ya NH₃ ina atomi tatu za hidrojeni zinazoweza kutoa kifungo cha hidrojeni lakini sehemu moja tu inayoweza kupokea kifungo, kwa hiyo vifungo vyake ni vichache na vya kupita upesi — takriban kifungo kimoja kinachopokelewa kwa kila molekuli, kinachodumu karibu sehemu ya kumi ya pikosekunde, kwa mujibu wa tafiti zinazonukuliwa na makala hii.

Amonia pia ina kiinimacho chake. Molekuli hii ni piramidi ndogo, na atomi yake ya nitrojeni inaweza kupenya bapa la hidrojeni tatu hadi upande mwingine, na kuipindua piramidi ndani-nje kama mwavuli kwenye dhoruba ya upepo. Mpinduko huu wa kipiramidi (pyramidal inversion) huathiriwa sana na athari za kwantumu: katika gesi, molekuli hupinduka kwa njia ya upenyaji wa kwantumu (tunnelling). Minwoo Kim, Ji Woong Yu, Won Bo Lee na wenzao katika Chuo Kikuu cha Kitaifa cha Seoul na Chuo Kikuu cha Ajou walijiuliza kama, ndani ya kimiminika, mipinduko hii inaweza kuathiri jambo la kawaida kabisa kama kasi ambayo molekuli huzururazurura.

Vielelezo vingi haviwezi hata kupinduka

Kikwazo cha kwanza kilikuwa kielelezo. Kati ya nyuga tano za kawaida za nguvu zilizojaribiwa, nne hazikutoa mpinduko hata mmoja: mbili huichukulia molekuli kuwa ngumu isiyopinda, na mbili hushikilia pembe zake kwa springi ambazo kamwe haziiruhusu kufikia umbo bapa la nyuzi 120 ambalo mpinduko unahitaji. Badala yake timu ilitumia uga wa nguvu uliofunzwa kwa ujifunzaji wa mashine, uliofunzwa katika kazi ya awali kwa hesabu za kemia ya kwantumu, ambao uliweza kuzalisha upya muundo, msongamano, mnato na usambaaji wa kimiminika kwa usahihi sawa na vielelezo bora vya kawaida — huku ukiruhusu mipinduko ya hiari.

Ili kujumuisha asili ya kwantumu ya viini, walitumia mienendo ya molekuli ya polima-pete (ring-polymer molecular dynamics): kila kiini huwakilishwa na nakala 32 zilizounganishwa kwa springi, jambo linalozalisha upya takwimu zake za kwantumu. Uigaji wa kikawaida na wa kwantumu ulitumia mandhari ileile kabisa ya nishati, kwa molekuli 512 kati ya kelvini 170 na 250, kiwango kinachofika hadi kwenye kimiminika kilichopozwa kupita kiasi (supercooled), chini ya kiwango cha kuyeyuka.

Mipinduko inayotikisa ujirani

Kwa viini vya kwantumu, kimiminika kina msongamano mdogo zaidi, mnato wake unakaribiana zaidi na majaribio, na kina vifungo vya hidrojeni vichache kidogo.
Kizuizi cha nishati kinachoonekana cha mpinduko hushuka kutoka elektronivolti 0.272 (kikawaida) hadi 0.213 (kwantumu), kwa hiyo mipinduko inakuwa ya mara nyingi zaidi kwa kulinganisha kadiri kimiminika kinavyopoa.
Jirani wote wakigandishwa, molekuli iliyopinduka inakaa elektronivolti 0.277 juu kuliko awali: mazingira yanayoizunguka hayafai kabisa umbo lililopinduliwa, kwa hiyo mpinduko na kujipanga upya kwa jirani huenda pamoja.
Kuzunguka kila mpinduko, molekuli hupoteza vifungo vya hidrojeni na msongamano wake wa eneo hilo hushuka kwa takriban pikosekunde moja kabla na baada. Jirani walio ndani ya ångström 5 — ganda lake la kwanza — hupoteza takriban 2% ya vifungo vyao na 1% ya msongamano wao; zaidi ya hapo, hakuna kinachobadilika.

Kutoroka kizimbani

Katika kimiminika chenye joto zaidi, viini vya kwantumu hubadilisha usambaaji kwa −5% hadi +2% tu. Lakini chini ya takriban kelvini 210, athari inageuka kuwa chanya na kufikia +18% kwenye kelvini 170.

Maelezo yako katika ufungiwaji kizimbani (caging). Kadiri kimiminika kinavyopoa, kila molekuli hunaswa zaidi na zaidi na jirani zake, kama ilivyo kwenye kioo, na lazima ijinasue ili kusafiri. Uwezekano wa kutoroka kizimba ni mkubwa zaidi kwa viini vya kwantumu — takriban 20% zaidi kwenye kelvini 170 — na unapanda sambamba na ongezeko la usambaaji. Katika taswira ya waandishi, kila mpinduko unaosaidiwa na kwantumu ni “mvunjaji wa muundo” mdogo wa eneo husika, unaolegeza kizimba wakati ule ule vizimba vinapoanza kuwa na umuhimu.

Waandishi wanakuwa waangalifu: vimiminika vya kikawaida na vya kwantumu vinalinganishwa kila kimoja kwenye msongamano wake, kwa hiyo nafasi ya mpinduko haijatenganishwa kikamilifu na mabadiliko ya msongamano, na uhusiano kati ya kutoroka kizimba na usambaaji peke yake hauthibitishi utaratibu huo. Hoja yao kuu ni kwamba athari ya kwantumu kwenye mwendo ulio ndani ya molekuli inaweza, mara inapofungamana na mazingira yake, kufika hadi kwenye jinsi kimiminika kizima kinavyotiririka.