• 4

Ο δεσμός έχει υπερβολικά μικρό μήκος για να μπορεί να γίνει ορατός σε οποιοδήποτε οπτικό ή ηλεκτρονικό μικροσκόπιο. Ο άθλος βασίστηκε στο λεγόμενο μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), το οποίο χρησιμοποιεί μια μικροσκοπική ακίδα για να σαρώσει το δείγμα και να συμπεράνει έτσι τις ιδιότητές του.

Στη συγκεκριμένη μελέτη, η ακίδα δεν άγγιζε τα μόρια αλλά ταλαντωνόταν δίπλα τους σε πολύ μικρή απόσταση. Η επιφάνεια του δείγματος άλλαζε τη συχνότητα ταλάντωσης, και η αλλαγή αυτή επέτρεψε την απεικόνιση του δείγματος σε ατομική ακρίβεια.

Η ίδια τεχνική είχε χρησιμοποιηθεί και για την πρώτη άμεση απεικόνιση του ομοιοπολικού δεσμού αλλά και την πρώτη απεικόνιση μορίων πριν και μετά μια χημική αντίδραση.

Τα αποτελέσματα του πειράματος δείχνουν ξεκάθαρα ότι η μικροσκοπία ατομικής δύναμης μπορεί να βοηθήσει στη μελέτη των δεσμών υδρογόνου, οι οποίοι είναι μεν πανταχού παρόντες, η φύση τους όμως παραμένει αμφιλεγόμενη.

Ο ηλεκτροστατικός δεσμός παίζει κρίσιμο ρόλο στα πιο σημαντικά μόρια που γνωρίζει ο άνθρωπος: είναι η δύναμη χάρη στην οποία το νερό είναι υγρό σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά και η δύναμη που συγκρατεί μεταξύ τους τις δύο έλικες στο μόριο του DNA.

^{Δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα στα άτομα υδρογόνου (γκρι) και τα άτομα οξυγόνου (κόκκινο) στα μόρια του νερού}

Ο δεσμός αυτός είναι μια διαμοριακή έλξη ανάμεσα σε μόρια που περιέχουν υδρογόνο και εμφανίζουν έντονα ασύμμετρη κατανομή των φορτίων τους. Για παράδειγμα, στο μόριο του νερού τα ηλεκτρόνια έλκονται περισσότερο από τα άτομα οξυγόνου από ό,τι από τα άτομα υδρογόνου, οπότε η μια πλευρά του μορίου έχει μερικό θετικό φορτίο και η άλλη πλευρά αρνητικό. Η «θετική» πλευρά ενός μορίου νερού έλκει την «αρνητική» πλευρά ενός δεύτερου μορίου, οπότε ανάμεσά τους σχηματίζεται ένας δεσμός υδρογόνου.

Για να διευκολύνουν το έργο τους οι ερευνητές στο Εθνικό Κέντρο Νανοεπιστήμης και Τεχνολογίας δεν χρησιμοποίησαν μόρια νερού αλλά την ουσία 8-υδροξυκινολίνη, της οποίας το μόριο έχει το πλεονέκτημα ότι είναι επίπεδο, με τον δεσμό υδρογόνου να προεξέχει και να ξεχωρίζει πιο εύκολα.

Η μελέτη περισσότερων μορίων με δεσμούς υδρογόνου θα μπορούσε στο μέλλον να δώσει οριστικές απαντήσεις για αυτή τη σημαντική διαμοριακής έλξης. «Η φύση του δεσμού υδρογόνου παραμένει αντικείμενο συζήτησης» επισημαίνει ο Δρ Κι, επικεφαλής της μελέτης.

Συγκεκριμένα, η μικροσκοπία AFM θα μπορούσε να απαντήσει στο ερώτημα του εάν ο δεσμός υδρογόνου είναι μια ηλεκτροστατική αλληλεπίδραση, όπως θεωρούνταν για πολύ καιρό, ή αν έχει χαρακτηριστικά ενός πραγματικού χημικού δεσμού, όπως υποδηλώνουν πειράματα περίθλασης ακτίνων Χ.

Βαγγέλης Πρατικάκης

Χρησιμοποιώντας νέες επαναστατικές μεθόδους ερευνητές στις ΗΠΑ ανακάλυψαν άγνωστες και εντυπωσιακές ιδιότητες του πάγου. Πιο συγκεκριμένα ανακάλυψαν το πώς συμπεριφέρεται ο πάγος όταν δέχεται πολύ ισχυρές πιέσεις. Τα ευρήματα μεταβάλλουν τις υπάρχουσες θεωρίες και μας δίνουν νέα εικόνα για το πώς τα μόρια του νερού αντιδρούν σε συνθήκες που επικρατούν βαθιά στο εσωτερικό των πλανητών. Τα συμπεράσματα της μελέτης είναι πιθανό να ανοίξουν νέους δρόμους σε διαφόρους τομείς όπως αυτόν της ενέργειας.

Η θεωρία

Οταν το νερό μετατρέπεται σε πάγο τα μόριά του δημιουργούν δεσμούς σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα το οποίο διατηρείται με τη βοήθεια δεσμών υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου παρουσιάζουν ωστόσο ποικιλομορφία με αποτέλεσμα η κρυσταλλική μορφή του πάγου να εμφανίζεται με τουλάχιστον 16 διαφορετικές κρυσταλλικές δομές. Σε όλες αυτές τις δομές του πάγου το «απλό» μόριο Η20 είναι ο θεμέλιος λίθος τους.

Το 1964 διατυπώθηκε για πρώτη φορά η θεωρία ότι κάτω από  συνθήκες υψηλών πιέσεων οι δεσμοί υδρογόνου μπορούν να «δυναμώσουν» σε τέτοιον βαθμό ώστε να διαλύσουν κυριολεκτικά ένα μόριο νερού. Παρά τις επίμονες προσπάθειες των επιστημόνων τις επόμενες δεκαετίες δεν κατέστηωστόσο εφικτή η απευθείας παρατήρηση του φαινομένου. Στα μέσα της δεκαετίας του 1990 και χρησιμοποιώντας φασματοσκοπικές τεχνικές, ερευνητικές ομάδες κατάφεραν να προσεγγίσουν αυτόν τον στόχο. Ομως και αυτές ήταν τεχνικές έμμεσης παρατήρησης και φώτιζαν μόνο ένα μέρος της συνολικής εικόνας.

Ο τρόπος

Η απευθείας παρατήρηση των ατόμων υδρογόνου θα είχε πολλά να προσφέρει στην κατανόηση του φαινομένου. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί αν επιτευχθεί η «αποπομπή» ατόμων υδρογόνου από τον πάγο και καταγραφεί στη συνέχεια προσεκτικά το πώς διασκορπίστηκαν. Ομως εφαρμόζοντας αυτή τη μέθοδο σε συνθήκες υψηλής πίεσης οι ερευνητές δεν κατάφερναν να παρατηρήσουν το φαινόμενο της διάλυσης των μορίων του νερού. «Για να επιτευχθούν πολύ υψηλές πιέσεις πρέπει τα δείγματα του πάγου να είναι πολύ μικρά. Ομως δυστυχώς αυτή η διαδικασία κάνει εξαιρετικά δύσκολη την παρατήρηση των ατόμων υδρογόνου» αναφέρει ο Μάλκομ Γκάθρι, μέλος της ερευνητικής ομάδας

Η τεχνική

Το 2006 ξεκίνησε να λειτουργεί στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge των ΗΠΑ ο επιταχυντής Spallation Neutron Source με ικανότητα να προσφέρει εντατική και ιδιαίτερα φωτεινή παραγωγή νετρονίων.

Ομάδα επιστημόνων του εργαστηρίου και επιστήμονες του Γεωφυσικού Εργαστηρίου Carnegie ένωσαν τις δυνάμεις τους και σχεδίασαν μια ολόκληρη σειρά εργαλείων για τη καλύτερη μελέτη των νετρονίων. Τελικά κατάφεραν να κάνουν απευθείας παρατηρήσεις ατόμων υδρογόνου μέσα σε δείγματα πάγου τα οποία δέχονταν πιέσεις 500 χιλιάδες φορές μεγαλύτερες από την ατμοσφαιρική πίεση της Γης.

«Τα νετρόνια μας δείχνουν  μια ιστορία που δεν μπορούσαμε να δούμε με τις άλλες τεχνικές. Τα αποτελέσματα της νέας μελέτης δείχνουν ότι η διάλυση των μορίων του νερού ακολουθεί δύο διαφορετικούς μηχανισμούς. Κάποια μόρια αρχίζουν να διαχωρίζονται σε πολύ χαμηλότερες πιέσεις και με διαφορετικό τρόπο από εκείνο που προέβλεπε η θεωρία του 1964. Τα ευρήματα μας αποκαλύπτουν μια νέα εικόνα του πάγου και της συμπεριφοράς των μορίων του νερού. Επιπλέον τα ευρήματα ενισχύουν τη θεωρία που αναφέρει ότι τα άτομα υδρογόνου που βρίσκονται σε πάγους στο εσωτερικό πλανητών μπορούν να βρίσκονται σε κίνηση ακόμη και αν οι πάγοι παραμένουν συμπαγείς» τονίζουν ο Γκάθρι και ο Ράσελ Χέμλει, επίσης μέλος της ερευνητικής ομάδας. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «PNAS».

Τα επόμενα βήματα

Σύμφωνα με ειδικούς, αυτές οι παρατηρήσεις μπορεί να αποτελέσουν την αρχή μιας προσπάθειας που μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις. «Η απευθείας παρατήρηση της διάλυσης μορίων νερού δεν είναι απλά σημαντική για τη μελέτη του πάγου. Είναι ένα επίτευγμα που μπορεί να βρει εφαρμογές σε πολλούς κρίσιμους για την ανθρωπότητα τομείς όπως αυτόν της ενέργειας. Για παράδειγμα, η τεχνική μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να κατανοήσουν σε μεγάλο βάθος τα κλαθράτα υδριτών αξιοποιώντας υλικά αποθήκευσης υδρογόνου τα οποία θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν κάποτε ως καύσιμα αυτοκινήτων» υποστηρίζει ο Κρις Τάλκ, μέλος της ερευνητικής ομάδας.

Τα κλαθράτα υδριτών μοιάζουν με τον πάγο που όλοι γνωρίζουμε. Εντούτοις, αν και αποτελούνται μερικώς από νερό, τα μόρια του νερού διατάσσονται σε «κυψέλες», που παγιδεύουν στο εσωτερικό τους μεμονωμένα μόρια μεθανίου. Το μεθάνιο από τους υδρίτες θα μπορούσε να αποτελέσει ένα «καύσιμο γεφύρωσης» που θα μας οδηγήσει σε περισσότερο ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.