מסלול תגובה משוטט במצבים נרגשים מאוד מפוטו-דיסוציאציה אולטרה-סגולה בוואקום של דו-תחמוצת הגופרית נחשף באמצעות שימוש במקור האור הקוהרנטי של דאליאן. קרדיט: DICP
מדענים צפו בתגובות כימיות שנקראות 'נודד', כאלו שבנקודות מסוימות מתרחקות מ"נתיב ההתנגדות המינימלית" ממינימום האנרגיה הנמוכה ביותר, בפעם הראשונה במצבי אנרגיה נרגשים מאוד.
תגובות כימיות אמורות להתרחש לאורך מסלולי האנרגיה המינימליים שלהם. בשנים האחרונות החלו להופיע מה שנקרא תגובות נדידה שמתרחקות מהנתיב הזה, אבל רק לגבי כימיקלים מִין במצב הקרקע שלהם או, לכל היותר, במצב הנרגש הראשון שלהם. עם זאת, חוקרים צפו כעת בתגובת נדידה אפילו במצבי אנרגיה נרגשים מאוד.
החוקרים ממכון דאליאן לפיזיקה כימית (DICP) של האקדמיה הסינית למדעים (CAS) תיארו את ממצאיהם במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת מַדָע.
דינמיקה של תגובה כימית
עד לאחרונה, כימאים הניחו שתגובות כימיות מתרחשות לאורך מה שהם מכנים נתיבי אנרגיה מינימלית – מסלול התגובה שמשתמש בכמות האנרגיה הנמוכה ביותר בין התצורה היציבה ההתחלתית של מולקולה לבין המצב היציב הסופי שלה. בנקודה מסוימת בכל תגובה כימית, ישנו "מצב מעבר", שבו לאנרגיה הפוטנציאלית יש ערך מרבי. אפשר לחשוב על זה כדומה לכדור שמתגלגל במעלה גבעה ושוב למטה. אבל מצב המעבר הזה ב"ראש הגבעה" עדיין נמצא לאורך נתיב האנרגיה המינימלי. התגובות לא אמורות להתרחק מהנתיב הזה של ההתנגדות הכי פחות.
אבל בשנת 2004, חוקרים שבדקו את פירוק הפורמלדהיד כשהם מופצצים על ידי פוטונים (תגובה כימית הנקראת "פוטודיסוציאציה") נדהמו לגלות שיש תגובות כימיות שיכולות, למעשה, להתרחק הרבה ממסלול האנרגיה המינימלי.
תמונת צוות. קרדיט: DICP
הסטייה הזו, או יותר נכון "נדידה", מתרחשת כאשר הביקוע הצפוי של קשר כימי במקום זאת הופך ל"מתוסכל": רכיב של מולקולה מתחיל להימלט ממולקולת האם שלו, אך מגלה שאין לו מספיק אנרגיה לעשות זאת. אז במקום זאת, הרכיב פשוט מקיף את הפרגמנט המולקולרי הנותר במצב שאינו מינימום אנרגיה. הוא ממשיך במסלול זה עד שהוא נתקל באתר תגובתי (המיקום הפיזי על מולקולה שבו מתרחשת התגובה ונוצר קשר כימי חדש) של מולקולה אחרת, וחוזר לנתיב האנרגיה המינימלי.
מאז, נמצא כי "תגובות הנדידה" הללו אינן רק התרחשויות מזדמנות, אלא נפוצות.
"התברר שנדידה היא היבט כללי של תגובתיות כימית שמעולם לא הבחינו בו קודם לכן", אמר פו בינה, אחד המחברים המקבילים של המאמר מ-DICP.
ממצאים אחרונים ומשמעות
חקירות נוספות הבחינו בתגובות נדידה בשני מצבי הקרקע – האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית של מולקולה, ובמצבים הנרגשים הראשונים שלהן. בעת קליטת אנרגיה, אלקטרון במולקולה קופץ לרמות אנרגיה גבוהות יותר, הנקראים מצבים נרגשים. אבל נדידה נצפתה רק במצבים הנרגשים הראשונים שכאלה, לא באף מצב נרגש אחר כך, גבוה יותר. כמו כן, נדידה לא הובילה ליצירת תוצרים נרגשים אלקטרונית של התגובה הכימית.
עם זאת, מחברי המאמר דיווחו שהם צפו בשיטוט במצב נרגש מאוד בפעם הראשונה, במקרה זה במהלך הפוטו-דיסוציאציה של גופרית דו-חמצנית (SO2) מולקולות לתוך גופרית וחמצן (מולקולה של SO2 מתפרק ל- an אָטוֹם של גופרית, S, ומולקולה אחת של חמצן, O2כאשר מופגז באור).
התוצאות שלהם חשפו שני מסלולים אפשריים שונים לניתוק. מתקדמים לאורך נתיב האנרגיה המינימלי הצפוי כדי לייצר O "קר יותר מבחינה רטט".2 מולקולה, והשנייה מניבה O "חם יותר מבחינה רטט".2 מולקולה במצב נרגש אלקטרוני.
"התגובה האחרונה עושה זאת באמצעות מסלול נדידה הכולל מעין 'כתם' של אטום חמצן בודד, מה שאנו מכנים 'הפשטה תוך-מולקולרית', במהלך תנועה שבה המולקולה מכוונת את עצמה מחדש", אמר יואן קאייג'ון, אחר. המחבר המקביל של המאמר מ-DICP.
בכל פעם שיש סבירות מוגברת להיתקל ב"מחשוף קשר מתוסכל", ישנה סבירות מוגברת לתגובות נדידה במצבים נרגשים מאוד וייצור של מוצרים מורגשים אלקטרונית. דינמיקת נדידה כזו עשויה להתברר ככלל, מאמינים החוקרים, ולא היוצא מן הכלל עבור ניתוק פוטו מולקולרי דרך מצבים נרגשים מאוד.
החוקרים התעניינו ב-SO2 במיוחד, לאור חשיבותו באטמוספירה של כדור הארץ. שינויים בשפע של SO2 להשפיע על מאזן הקרינה של כדור הארץ ובכך על האקלים, ועל SO2 מהתפרצויות געשיות הוא אחד משני המקורות החשובים ביותר של אירוסולים בסטרטוספירה, ומוצרים נרגשים אלקטרונית עצמם מגיבים בצורה שונה מאוד באטמוספרה, בחלל ובבעירה. לבסוף, פוטודיסוציאציה של SO2 יכול להיות בעל חשיבות רבה להבנת מקורות החמצן המולקולרי (O2) באטמוספירה הפרימיטיבית של כדור הארץ לפני הופעת החיים.
כתוצאה מממצאיהם, החוקרים טוענים כי כעת יש לשלב את מנגנון הנדידה של ייצור חמצן מולקולרי במודלים פוטוכימיים של האטמוספרות של כוכבי לכת עם יציאות געשיות עשירות של SO2.
