Λύθηκε επιστημονικό μυστήριο 50 ετών για ένα σημαντικό μόριο

Ένα από τα πιο βασικά αλλά επίμονα ερωτήματα στη μοριακή φυσική φαίνεται πως βρήκε επιτέλους απάντηση. Μετά από δεκαετίες εκτιμήσεων και θεωρητικών υποθέσεων, ερευνητές επιβεβαίωσαν για πρώτη φορά με ακρίβεια τη διπολική ροπή του μορίου χλωριούχου αργιλίου (AlCl), ενός χημικού στοιχείου που παίζει καθοριστικό ρόλο τόσο στην κατανόηση της ύλης στο Διάστημα όσο και σε μελλοντικές εφαρμογές της κβαντικής τεχνολογίας.

Το επίτευγμα, το οποίο δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review A, προσφέρει νέες δυνατότητες αξιοποίησης της ακριβούς γνώσης του μορίου AlCl σε ποικίλους επιστημονικούς κλάδους, από την αστρονομία μέχρι την κβαντική πληροφορική.

Η διπολική ροπή είναι ένα μέτρο της πολικότητας ενός μορίου, δηλαδή του τρόπου με τον οποίο κατανέμεται το ηλεκτρικό φορτίο εντός του. Η τιμή αυτή επηρεάζει κρίσιμες φυσικοχημικές ιδιότητες, όπως το σημείο βρασμού, η διαλυτότητα και η συμπεριφορά του μορίου σε διαφορετικά περιβάλλοντα. Ωστόσο, η ακριβής μέτρηση της διπολικής ροπής του AlCl παρέμενε άπιαστος στόχος για πάνω από μισό αιώνα.

Στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Riverside, ομάδα Φυσικών με επικεφαλής τον Boerge Hemmerling ανέπτυξε ένα προηγμένο πειραματικό σύστημα κενού, συνδυασμένο με laser, που επέτρεψε την εκτέλεση υψηλής ακρίβειας φασματοσκοπίας. Με τον τρόπο αυτό, οι ερευνητές κατάφεραν να δημιουργήσουν και να παρατηρήσουν δέσμες μορίων AlCl μέσα στο εργαστήριο, επιτρέποντας λεπτομερή ανάλυση της συμπεριφοράς τους.

Το αποτέλεσμα; Μια μετρημένη διπολική ροπή της τάξης των 1,68 Debye, η οποία θεωρείται πλέον η πλέον αξιόπιστη τιμή για το συγκεκριμένο μόριο. Η μονάδα Debye χρησιμοποιείται ευρέως στη φυσική και τη χημεία για τη μέτρηση διπολικών ροπών.

Εντυπωσιακό είναι πως η νέα τιμή επιβεβαιώνει σε μεγάλο βαθμό την εκτίμηση του χημικού David R. Lide, ο οποίος το 1956 είχε υπολογίσει θεωρητικά τη διπολική ροπή του AlCl στα 1,5 Debye. Η απόκλιση μόλις 0,18 Debye μεταξύ της παλιάς πρόβλεψης και της νέας πειραματικής μέτρησης αποτελεί ένδειξη της ακρίβειας των θεωρητικών μοντέλων που χρησιμοποιούνται για δεκαετίες στη μοριακή φυσική.

Όπως εξήγησε ο Hemmerling, η επιτυχία αυτή δεν έχει μόνο θεωρητική αξία.

Η ακριβής μέτρηση της διπολικής ροπής του AlCl αποτελεί θεμέλιο λίθο για την εξέλιξη διαφόρων τεχνολογιών και επιστημονικών πεδίων. Από τη μελέτη απομακρυσμένων άστρων μέχρι την ανάπτυξη επόμενης γενιάς κβαντικών υπολογιστών, τέτοιες μετρήσεις ανοίγουν νέους δρόμους για την επιστήμη

Την ιδιαίτερη σημασία της ανακάλυψης ανέδειξε και ο Stephen Kane, αστροφυσικός επίσης από το UC Riverside και συν-συγγραφέας της μελέτης. Σύμφωνα με τον Kane, τα δεδομένα για το AlCl βοηθούν τους αστρονόμους να ερμηνεύσουν πιο αξιόπιστα τα μοριακά ίχνη που παρατηρούν στο φως των άστρων. Η αναλογία αργιλίου προς χλώριο, όπως εντοπίζεται μέσω φασματοσκοπικών μετρήσεων του AlCl, παρέχει κρίσιμες πληροφορίες για τις διαδικασίες πυρηνοσύνθεσης που συντελούνται στο εσωτερικό των άστρων, καθώς και για τη χημική εξέλιξη αυτών των ουράνιων σωμάτων.

Παρά την επιστημονική του σημασία, το μόριο AlCl είχε περάσει για χρόνια σχεδόν απαρατήρητο. Είναι ένα σχετικά απλό διμοριακό σύστημα, αλλά εμφανίζεται σε εξαιρετικά περίπλοκα και δυσπρόσιτα περιβάλλοντα, όπως οι εσωτερικές περιοχές αρχαίων γαλαξιών. Η αναγνώριση και μελέτη του σε τέτοια αστροφυσικά συμφραζόμενα απαιτεί συνδυασμό εξειδικευμένων τεχνικών παρατήρησης και ακριβών πειραματικών δεδομένων, όπως αυτό που παρείχε τώρα η ομάδα του Hemmerling.

Πέρα από την αστρονομία, η σημασία της διπολικής ροπής επεκτείνεται και στη χημεία, τη βιολογία και φυσικά στην αναδυόμενη κβαντική τεχνολογία. Όπως σημειώνει ο Hemmerling, η διπολική ροπή επηρεάζει τη χημική συμπεριφορά των μορίων, την αλληλεπίδρασή τους με διαλύτες, αλλά και τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να συνδεθούν ή να δημιουργήσουν δεσμούς υδρογόνου, κρίσιμο για τη βιολογία και τη λειτουργία του νερού, για παράδειγμα. Στο πεδίο της κβαντικής φυσικής, η γνώση τέτοιων ιδιοτήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία κβαντικής εμπλοκής μεταξύ μορίων, ένα από τα θεμέλια της κβαντικής πληροφορικής.

[via]