חוקרים חקרו לראשונה כיצד שתי צורות שונות של מַיִם (אורטו ופארא) מתנהגים אחרת כאשר עוברים תגובות כימיות.
מים היא ישות כימית, מולקולה שבה יחיד חמצן האטום מקושר לשני אטומי מימן (H2O). מים קיים כנוזל, מוצק (קרח) וגז (אדים). זה בין הכימיקלים הבודדים שאינם מכילים פַּחמָן ועדיין יכול להיות נוזלי בטמפרטורת החדר (בערך 20 מעלות). מים נמצא בכל מקום וחשוב לחיים. ברמה המולקולרית ידוע כי כל יום מַיִם קיים בשתי צורות שונות אך מידע זה אינו ידוע. שתי הצורות הללו של מַיִם נקראים איזומרים והם מכונים אורתו או פארא- מַיִם. ההבדל העיקרי בין הצורות הללו הוא עדין מאוד והוא פשוט הכיוון היחסי של הספינים הגרעיניים של שני אטומי המימן שמיושרים באותו או בכיוון הפוך, ומכאן שמם. ספין זה של אטומי מימן נובע מפיזיקה אטומית אם כי תופעה זו עדיין לא מובנת במלואה. לשתי הצורות הללו יש תכונות פיזיקליות זהות והאמינו עד כה שגם אז הן צריכות להיות בעלות תכונות כימיות זהות.
במחקר שפורסם לאחרונה ב טבע תקשורת, חוקרים מאוניברסיטת באזל, המבורג, חקרו לראשונה את ההבדל בתגובתיות כימית של שתי צורות אלו של מַיִם והוכיחו שאורתו-ופרפורמות מגיבות בצורה שונה מאוד. תגובתיות כימית פירושה הדרך או היכולת שבה מולקולה עוברת תגובה כימית. המחקר כלל הפרדה של מַיִם לשתי צורותיו האיזומריות (אורתו ופארא) באמצעות מסיט אלקטרוסטטי על ידי שילוב שדות חשמליים. מכיוון ששני האיזומרים הללו כמעט זהים ובעלי תכונות פיזיקליות זהות, תהליך ההפרדה הזה מורכב ומאתגר. ההפרדה הושגה על ידי קבוצת חוקרים זו באמצעות שיטה המבוססת על שדות חשמליים שפותחו על ידם עבור Free-Electron Laser Science. המסיט מכניס שדה חשמלי לאלומת מים אטומים. מכיוון שיש הבדל מכריע בספין הגרעיני בשני האיזומרים, הדבר משפיע מעט על האופן שבו אטומים מתקשרים עם השדה החשמלי הזה. לכן, כשהמים עוברים דרך המסיט הם מתחילים להיפרד לשתי צורותיו האורתו- ופרא-.
חוקרים הוכיחו שפאר- מַיִם מגיב בסביבות 25 אחוז מהר יותר מאשר אורתו-מים ומסוגל למשוך ל- a תגובה בן זוג חזק יותר. זה בהחלט מוסבר על ידי ההבדל בספין הגרעיני שמשפיע על סיבוב מולקולות המים. כמו כן, השדה החשמלי של פארא-מים מסוגל למשוך את היונים מהר יותר. הקבוצה עוד ביצעה הדמיות ממוחשבות של מולקולות מים כדי לאשש את ממצאיהן. כל הניסויים נעשו עם מולקולות בטמפרטורה נמוכה מאוד של כמעט -273 מעלות צלזיוס. זהו גורם חשוב כפי שהוסבר על ידי המחברים שרק בתנאים כאלה ניתן להגדיר היטב את המצבים הקוונטיים הבודדים ואת תכולת האנרגיה של מולקולות ולשלוט טוב יותר. מה שאומר שמולקולת המים מתייצבת כאחת משתי צורותיה וההבדלים ביניהן הופכים ברורים וברורים. לפיכך, חקירת תגובות כימיות יכולה לחשוף מנגנונים ודינמיקה בסיסיים המובילים להבנה טובה יותר. עם זאת, ייתכן שהשימוש המעשי במחקר זה אינו גבוה במיוחד בשלב זה.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Kilaj A et al 2018. תצפית על תגובתיות שונות של פארה ומים אורתו כלפי יוני דיאזניליום לכודים. תקשורת טבע. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
