چھتری کی طرح الٹ جانے والے امونیا کے مالیکیول

پانی اور مائع سلیکون اپنی بہت سی عجیب خصوصیات سمت دار بانڈز کے ایک کھلے جال کی وجہ سے رکھتے ہیں۔ اس کے برعکس سادہ مائعات محض گھنے انداز میں ٹھنسے ہوتے ہیں۔ مائع امونیا ان دونوں کے درمیان ہے۔ NH₃ کے ہر مالیکیول میں تین ہائیڈروجن ایٹم ہیں جو ہائیڈروجن بانڈ دے سکتے ہیں، لیکن صرف ایک جگہ ہے جو بانڈ قبول کر سکتی ہے، اس لیے اس کے بانڈ کم اور عارضی ہوتے ہیں — مقالے میں حوالہ دیے گئے مطالعات کے مطابق فی مالیکیول تقریباً ایک قبول شدہ بانڈ، جو تقریباً پیکو سیکنڈ کے دسویں حصے تک قائم رہتا ہے۔

امونیا کا ایک کرتب بھی ہے۔ اس کا مالیکیول ایک چھوٹا سا اہرام ہے، اور اس کا نائٹروجن ایٹم تین ہائیڈروجن ایٹموں کی سطح میں سے پھسل کر دوسری طرف جا سکتا ہے، جس سے اہرام اندر سے باہر الٹ جاتا ہے، جیسے تیز ہوا کے جھونکے میں چھتری۔ یہ اہرامی الٹاؤ (pyramidal inversion) کوانٹم اثرات کے لیے حساس ہے: گیس میں مالیکیول سرنگ زنی (tunnelling) کے ذریعے الٹتا ہے۔ سیول نیشنل یونیورسٹی اور آجو یونیورسٹی کے مِنوو کِم، جی وونگ یو، وون بو لی اور ان کے ساتھیوں نے یہ سوال اٹھایا کہ کیا مائع میں یہ الٹاؤ کسی ایسی عام سی چیز پر اثر ڈال سکتے ہیں جیسے یہ کہ مالیکیول کتنی تیزی سے ادھر ادھر بھٹکتے ہیں۔

زیادہ تر ماڈل الٹ ہی نہیں سکتے

پہلی رکاوٹ ماڈل تھا۔ آزمائے گئے پانچ معیاری فورس فیلڈز میں سے چار نے ایک بھی الٹاؤ پیدا نہیں کیا: دو مالیکیول کو سخت (rigid) مانتے ہیں، اور دو اس کے زاویوں کو ایسے اسپرنگوں سے تھامے رکھتے ہیں جو اسے کبھی وہ چپٹی، 120 درجے کی شکل اختیار نہیں کرنے دیتے جو الٹاؤ کے لیے ضروری ہے۔ اس کے بجائے ٹیم نے مشین لرننگ سے حاصل کردہ فورس فیلڈ (machine-learned force field) استعمال کیا، جسے پچھلے کام میں کوانٹم کیمسٹری کے حسابات پر تربیت دی گئی تھی۔ اس نے مائع کی ساخت، کثافت، لزوجت اور نفوذ کو بہترین معیاری ماڈلز جتنی خوبی سے دہرایا — اور ساتھ ہی خود بخود الٹاؤ کی اجازت بھی دی۔

مرکزوں کی کوانٹم فطرت کو شامل کرنے کے لیے انہوں نے رنگ پولیمر مالیکیولر ڈائنامکس (ring-polymer molecular dynamics) استعمال کی: ہر مرکزے کو اسپرنگوں سے جڑی 32 نقول سے ظاہر کیا جاتا ہے، جس سے اس کے کوانٹم شماریاتی رویے کی نقل ہو جاتی ہے۔ کلاسیکی اور کوانٹم دونوں حسابات نے بالکل ایک ہی توانائی کا منظرنامہ استعمال کیا، 512 مالیکیولوں کے لیے 170 سے 250 کیلون کے درمیان، یہ حد نقطۂ پگھلاؤ سے نیچے فوق سرد (supercooled) مائع تک جاتی ہے۔

الٹاؤ جو پڑوس کو ہلا دیتے ہیں

کوانٹم مرکزوں کے ساتھ مائع کم گھنا ہوتا ہے، اس کی لزوجت تجربے سے زیادہ قریب ہوتی ہے، اور اس میں ہائیڈروجن بانڈ قدرے کم ہوتے ہیں۔
الٹاؤ کی ظاہری توانائی کی رکاوٹ 0.272 الیکٹران وولٹ (کلاسیکی) سے گھٹ کر 0.213 (کوانٹم) رہ جاتی ہے، اس لیے مائع کے ٹھنڈا ہونے کے ساتھ الٹاؤ نسبتاً زیادہ کثرت سے ہونے لگتے ہیں۔
تمام ہمسایوں کو منجمد رکھا جائے تو الٹا ہوا مالیکیول پہلے سے 0.277 الیکٹران وولٹ اوپر ہوتا ہے: اردگرد کا ماحول الٹی شکل کے لیے موزوں نہیں ہوتا، اس لیے الٹاؤ اور ہمسایوں کی ازسرِنو ترتیب ساتھ ساتھ چلتے ہیں۔
ہر الٹاؤ کے آس پاس مالیکیول ہائیڈروجن بانڈ کھو دیتا ہے اور اس کی مقامی کثافت تقریباً ایک پیکو سیکنڈ پہلے اور بعد تک کم رہتی ہے۔ 5 اینگسٹروم کے اندر کے ہمسائے — اس کا پہلا خول — اپنے تقریباً 2% بانڈ اور 1% کثافت کھو دیتے ہیں؛ اس سے آگے کچھ نہیں۔

پنجرے سے فرار

نسبتاً گرم مائع میں کوانٹم مرکزے نفوذ کو صرف −5% سے +2% تک بدلتے ہیں۔ لیکن تقریباً 210 کیلون سے نیچے اثر مثبت ہو جاتا ہے اور 170 کیلون پر +18% تک پہنچ جاتا ہے۔

اس کی وضاحت پنجرہ بندی (caging) میں ہے۔ جیسے جیسے مائع ٹھنڈا ہوتا ہے، ہر مالیکیول شیشے کی طرح اپنے ہمسایوں میں زیادہ سے زیادہ پھنستا جاتا ہے، اور آگے بڑھنے کے لیے اسے توڑ کر نکلنا پڑتا ہے۔ کوانٹم مرکزوں کے ساتھ پنجرے سے نکلنے کا امکان زیادہ ہوتا ہے — 170 کیلون پر تقریباً 20% زیادہ — اور یہ نفوذ میں اضافے کے ساتھ قدم بہ قدم بڑھتا ہے۔ مصنفین کے تصور میں کوانٹم اثر سے مدد پانے والا ہر الٹاؤ ایک چھوٹا مقامی “ساخت شکن” ہے جو پنجرے کو عین اس وقت ڈھیلا کرتا ہے جب پنجرے اہم ہونے لگتے ہیں۔

مصنفین محتاط ہیں: کلاسیکی اور کوانٹم مائعات کا موازنہ ان کی اپنی اپنی کثافت پر کیا گیا ہے، اس لیے الٹاؤ کا کردار کثافت کی تبدیلی سے پوری طرح الگ نہیں ہوتا، اور پنجرے سے فرار اور نفوذ کے درمیان باہمی تعلق اکیلے میکانزم کو ثابت نہیں کرتا۔ ان کا مرکزی نکتہ یہ ہے کہ مالیکیول کے اندر کسی حرکت پر کوانٹم اثر، جب اردگرد کے ماحول سے جڑ جائے، تو پورے مائع کے بہاؤ تک پہنچ سکتا ہے۔