ŞEMSİYE GİBİ TERSİNE DÖNEN AMONYAK MOLEKÜLLERİ

Su ve sıvı silisyum tuhaflıklarının çoğunu, yönlü bağlardan oluşan açık bir ağa borçludur. Basit sıvılar ise aksine yalnızca sıkıca istiflenmiştir. Sıvı amonyak ikisinin arasında durur. Her NH₃ molekülünün hidrojen bağı verebilen üç hidrojen atomu vardır ama bağ kabul edebilen yalnızca bir bölgesi; bu yüzden bağları seyrek ve kısa ömürlüdür — makalenin atıf yaptığı çalışmalara göre molekül başına kabaca bir kabul edilmiş bağ, yaklaşık pikosaniyenin onda biri kadar süren.

Amonyağın bir de numarası var. Molekül küçük bir piramittir ve azot atomu üç hidrojenin düzleminden öbür yana kayarak, piramidi bir rüzgâr darbesindeki şemsiye gibi ters yüz edebilir. Bu piramidal dönüşüm (pyramidal inversion) kuantum etkilerine duyarlıdır: gaz hâlinde molekül tünelleme yoluyla ters döner. Seul Ulusal Üniversitesi ve Ajou Üniversitesi’nden Minwoo Kim, Ji Woong Yu, Won Bo Lee ve meslektaşları, sıvıda bu dönüşlerin moleküllerin ne kadar hızlı dolaştığı gibi sıradan bir şeyi etkileyip etkileyemeyeceğini sordu.

Modellerin çoğu dönemiyor bile

İlk engel modeldi. Sınanan beş standart kuvvet alanından dördü hiç dönüş üretmedi: ikisi molekülü katı kabul ediyor, ikisi ise açılarını dönüşün gerektirdiği düz, 120 derecelik biçime asla ulaşmasına izin vermeyen yaylarla tutuyor. Ekip bunun yerine, önceki çalışmalarda kuantum kimyası hesapları üzerinde eğitilmiş bir makine öğrenmesi kuvvet alanı kullandı; bu alan sıvının yapısını, yoğunluğunu, viskozitesini ve difüzyonunu en iyi standart modeller kadar iyi yeniden üretirken kendiliğinden dönüşlere de izin veriyordu.

Çekirdeklerin kuantum doğasını hesaba katmak için halka-polimer moleküler dinamiği (ring-polymer molecular dynamics) kullandılar: her çekirdek yaylarla bağlı 32 kopyayla temsil ediliyor; bu da kuantum istatistiğini yeniden üretiyor. Klasik ve kuantum çalıştırmalar, 170 ile 250 kelvin arasındaki 512 molekül için tıpatıp aynı enerji yüzeyini paylaştı; bu aralık erime noktasının altına, aşırı soğumuş sıvıya kadar uzanıyor.

Mahalleyi sarsan dönüşler

• Kuantum çekirdeklerle sıvı daha az yoğun, viskozitesi deneye daha yakın ve biraz daha az hidrojen bağı taşıyor.
• Dönüşün görünür enerji bariyeri 0,272 elektronvolttan (klasik) 0,213’e (kuantum) düşüyor; böylece sıvı soğudukça dönüşler görece daha sık hâle geliyor.
• Tüm komşular dondurulduğunda, ters dönmüş molekül öncekinden 0,277 elektronvolt daha yüksekte duruyor: çevre ters biçime hiç uygun değil, bu yüzden dönüş ve komşuların yeniden düzenlenmesi birlikte gerçekleşiyor.
• Her dönüşün çevresinde molekül hidrojen bağlarını yitiriyor ve yerel yoğunluğu her iki yanda yaklaşık bir pikosaniye boyunca düşüyor. 5 ångström içindeki komşular — ilk kabuğu — bağlarının yaklaşık %2’sini ve yoğunluklarının %1’ini yitiriyor; bunun ötesinde hiçbir şey olmuyor.

Kafesten kaçış

Daha ılık sıvıda kuantum çekirdekler difüzyonu yalnızca −%5 ile +%2 arasında değiştiriyor. Ama yaklaşık 210 kelvinin altında etki pozitife dönüyor ve 170 kelvinde +%18’e ulaşıyor.

Açıklama kafeslenmede (caging) yatıyor. Sıvı soğudukça, her molekül bir camdaki gibi komşuları tarafından giderek daha çok hapsediliyor ve yol almak için kafesi kırması gerekiyor. Kafesten kaçma olasılığı kuantum çekirdeklerle daha yüksek — 170 kelvinde yaklaşık %20 daha yüksek — ve difüzyon artışıyla adım adım yükseliyor. Yazarların tablosunda kuantumun desteklediği her dönüş, kafeslerin önem kazanmaya başladığı anda kafesi gevşeten küçük, yerel bir “yapı kırıcı”.

Yazarlar temkinli: klasik ve kuantum sıvılar kendi yoğunluklarında karşılaştırılıyor, bu yüzden dönüşün rolü yoğunluk değişiminden tümüyle ayrılmış değil; kafesten kaçış ile difüzyon arasındaki korelasyon da mekanizmayı tek başına kanıtlamıyor. Temel savları şu: bir molekülün içindeki bir harekete ilişkin kuantum etkisi, çevresiyle bağlaşınca bütün sıvının nasıl aktığına kadar uzanabilir.