Ένα πείραμα με ένα φορτισμένο μόριο βισμουθίου και άνθρακα αποκαλύπτει πώς τα φαινόμενα της ειδικής σχετικότητας του Αλμπερτ Αϊνστάιν μπορούν να αναδιαμορφώσουν τη συμβατική εικόνα για τους χημικούς δεσμούς.
Σε ορισμένα βαριά άτομα, όπως το βισμούθιο, τα ηλεκτρόνια κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες.
Η θεωρία της ειδικής σχετικότητας περιγράφει τι συμβαίνει στην εμπειρία του χώρου και του χρόνου για όποιον κινείται με ταχύτητες κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Γι’ αυτό συνήθως συνδέεται με επιταχυντές σωματιδίων και αντικείμενα στο διάστημα. Ωστόσο, μέσα σε ορισμένα βαριά άτομα, τα ηλεκτρόνια κινούνται κι αυτά με σχετικιστικές ταχύτητες.
Ο Λάι-Σενγκ Γουάνγκ στο Πανεπιστήμιο Μπράουν, στο Ρόουντ Άιλαντ, και οι συνεργάτες του κατάφεραν τώρα να ρίξουν μια πρωτοφανή ματιά στο πώς αυτό ανατρέπει την καθιερωμένη αντίληψη για τους χημικούς δεσμούς σε ένα φορτισμένο μόριο από βισμούθιο και άνθρακα.
Στο μόριο, ένα άτομο βισμουθίου και ένα άτομο άνθρακα συνδέονταν με τρεις δεσμούς, έναν που οι ερευνητές περίμεναν ότι θα ήταν τύπου «σίγμα» και δύο τύπου «πι». Η διαφορά ανάμεσα στους δύο τύπους προκύπτει από τον κβαντικό χαρακτήρα των ηλεκτρονίων: κάθε ηλεκτρόνιο είναι «απλωμένο» σε μια περιοχή του χώρου, αντί να είναι ένα συμπαγές σφαιρίδιο, και το αν αυτές οι περιοχές αλληλεπικαλύπτονται μετωπικά ή πλάγια καθορίζει τον τύπο του χημικού δεσμού που δημιουργείται ανάμεσα στα άτομα.
Στο πείραμά τους, ο Γουάνγκ και οι συνεργάτες του χαρτογράφησαν την κατανομή των ηλεκτρονίων σε όλο το μόριο, παίρνοντας ουσιαστικά μια εικόνα των δεσμών του. Όμως, αντί να δουν ηλεκτρόνια κατανεμημένα σε σχήματα που παραπέμπουν σε δεσμούς σίγμα και πι, η ομάδα παρατήρησε ότι δύο από τους δεσμούς έμοιαζαν με δύο διαφορετικά μίγματα σχημάτων σίγμα και πι. «Ο χαρακτήρας τους είναι διαφορετικός από τη συνηθισμένη μας αντίληψη», λέει ο Γουάνγκ. «Δεν μπορείς πραγματικά να το πεις σίγμα και πι».
Η ομάδα του στράφηκε στον Κερκ Πίτερσον από το Πανεπιστήμιο της Πολιτείας της Ουάσινγκτον, οι υπολογισμοί του οποίου έδειξαν τελικά ότι αυτή η ανάμειξη ήταν συνέπεια του γεγονότος ότι τα ηλεκτρόνια κοντά στον πυρήνα του βισμουθίου δέχονται τόσο ισχυρή ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, ώστε κινούνται με σχετικιστικές ταχύτητες. Όπως λέει, αυτό το φαινόμενο δεν είχε καταγραφεί προηγουμένως σε πείραμα.
«Το πιο δύσκολο πράγμα στη μελέτη των βαρέων στοιχείων είναι η έλλειψη πραγματικά καλών πειραματικών δεδομένων», λέει ο Πίτερσον. «Το να υπάρχει ένα τόσο όμορφο πείραμα, ώστε να μπορείς ουσιαστικά να συγκρίνεις θεωρία πολύ υψηλού επιπέδου με δεδομένα, είναι πραγματική πολυτέλεια».
Ο Γουάνγκ λέει ότι ένα σημαντικό στοιχείο του νέου πειράματος ήταν πως ο ίδιος και οι συνεργάτες του μπόρεσαν να ψύξουν πολύ το μόριο πριν εξετάσουν τα ηλεκτρόνιά του. Αυτό περιόρισε οποιαδήποτε ταλάντωση και διέγερση που θα έκανε τις τελικές εικόνες λιγότερο ακριβείς.
«Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν, τόσο πειραματικές όσο και θεωρητικές, είναι οι καλύτερες δυνατές», λέει ο Πέκα Πιούκκο από το Πανεπιστήμιο του Ελσίνκι στη Φινλανδία.
Όπως λέει, αυτή η σχετικιστική αναμόρφωση του δεσμού του βισμουθίου με τον άνθρακα θα μπορούσε να επηρεάσει τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται οι οργανικές ενώσεις βισμουθίου σε χημικές αντιδράσεις. Μάλιστα, πρόσφατη μελέτη ερευνητών στο Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ για την Έρευνα του Άνθρακα στη Γερμανία έδειξε ήδη ότι τα σχετικιστικά φαινόμενα βοηθούν αυτό το βαρύ μέταλλο να λειτουργεί ως καλός καταλύτης χημικών διεργασιών.
Ο Γουάνγκ λέει ότι οι ερευνητές θέλουν τώρα να επαναλάβουν το πείραμά τους, αντικαθιστώντας το βισμούθιο με στοιχεία που βρίσκονται κοντά του στον περιοδικό πίνακα, ώστε να δουν πότε ακριβώς η ειδική σχετικότητα κάνει την παραδοσιακή δομή των χημικών δεσμών να καταρρέει.
Science DOI: 10.1126/science.aei1285
