Hidrojen Bağı İlk Defa Doğrudan Tespit Edildi

Fizikçiler ilk kez, tek bir molekül içinde direkt olarak bir hidrojen bağını tespit etmeyi başardılar. Yani artık, evrendeki en küçük ve en çok bulunan elementi, bilim insanlarının daha önce yalnızca teorik olarak çalışabildiği noktadan bir adım öteye taşıyarak, gözlemsel olarak da inceleyebiliyoruz.

Deney, görüntüleme aygıtlarımızın ne kadar hassas hale geldiğini de gösteriyor. Hidrojen bağları kimyasal bağlardan daha zayıf ve şimdiye kadar onları görmek imkansızdı. Şimdi ise, bilim insanları atomik kuvvet mikroskobu kullanarak onları net bir şekilde görselleştirebiliyorlar ve kuvvetlerini tam olarak ölçebiliyorlar.

Bilim insanlarının daha iyi bir şekilde anlamaya çalıştığı evrendeki tüm elementler arasında hidrojen, muhtemelen en üst sırada yer alıyor. Çünkü hidrojen, evrendeki görünür kütlenin %75'ini ve tüm atomların %90'ından fazlasını oluşturur. Periyodik tablodaki neredeyse tüm ametallerle kolaylıkla bileşik oluşturur.

Hepimizin, hidrojenin oksijen ve karbon ile oluşturduğu bağlar sayesinde var olduğunu da unutmayalım.

Ayrıca, çok kararlı DNA çift sarmal yapınız için de hidrojen bağlarına teşekkür edebilirsiniz. Milyonlarca hidrojen bağı DNA’nızdaki baz çiftlerinin bozulmadan durmasını sağlar ve bu da hidrojen bağının, hayatın temel yapı taşlarından biri olduğu anlamına gelir. Ancak, en saf haliyle hidrojen bağı ile çalışırken bilim insanları için iki büyük zorluk var: Hidrojen, çok küçük bir atomdur ve zayıf bağları çok kolay kırılır, özellikle tek moleküller üzerinde çalışılması söz konusu olduğunda.

Basel İsviçre Nanoscience Enstitüsü'nden araştırmacılar, "Hidrojen atomu - en küçük ve en çok bulunan atom - fizikte ve kimyada çok önemlidir. Bunun üzerine çalışmak için birçok analiz yöntemi uygulanmış olsa da, hidrojen atomlarının doğrudan tek bir molekülde gözlemlenmesi büyük ölçüde keşfedilmemiş durumda.” diyor.

Pervaneye benzeyen konfigürasyonlarda propellane adı verilen hidrojen bileşiklerini kullanarak, İsviçre ekibi bir oksijen atomu ile iki hidrojen atomu arasındaki kuvveti ve mesafeyi başarıyla ölçtü.

Araştırmacılar "Hesaplamalarımız, çok zayıf hidrojen bağının karakteristik olan yönlü bağlantısının işaretini doğruluyor. Bir hidrojen atomuyla olan etkileşimin doğrudan ölçümü, DNA ve polimerler gibi üç boyutlu moleküllerin tanımlanmasının yolunu açıyor.” diye anlatıyor.

Peki, bunu nasıl yaptılar?

İki hidrojen atomunun her zaman yukarıya doğru bakacağı şekilde düzenlenmiş hidrokarbon bileşiklerini seçtiler.

Burada hidrojen atomlarının beyazla gösterildiği pervane şeklinin yandan görünüşünü görebilirsiniz; (Yukarı işaret eden ikinci hidrojen bağı, ilkinin arkasında kapatılmış.)

prop-may-new
Yan tarafın üstten görünüşü-yan yatırılmış konfigürasyon

Ekip daha sonra bu molekülü, ufak kuvvetleri görselleştirip ölçebilen çok yüksek çözünürlüklü tarama sistemi mikroskopisi olan atomik kuvvet mikroskobuna (AFM) tabi tuttu. Karbonmonoksit ile mikroskop ucunu büyüttüler ve mikroskop böylelikle hidrojene son derece hassas hale geldi. Ardından mikroskop ucu hidrojen atomlarına yeterince yaklaştığında hidrojen bağları doğrudan incelenebilecek şekilde oluşturulmuş oldu.

Bu görüntüde, her iki hidrojen atomunun da yukarıya doğru geldiğini görebilirsiniz;

Bir propellane (alt molekül) ve karbon monoksit mikroskop ucu (üst molekül) arasında bir hidrojen bağı oluşur.
Bir propellane (alt molekül) ve karbon monoksit mikroskop ucu (üst molekül) arasında bir hidrojen bağı oluşur.

Yukarıdaki örnekte, karbonmonoksit ucun alttaki propellan bileşiği arasındaki hidrojen bağı oluşumunu görebilirsiniz.

Araştırmacılar, bu tür bir molekülde bulunan hidrojen bağlarının teorik hesaplamaları ile araştırmadan elde ettikleri sonuçları karşılaştırdıklarında, tam olarak eşleştiğini gördüler.

Araştırmacılar "Karbohidratlar; mühendislik, kimya ve yaşamın kalbinde bulunan en çeşitli ve işlevselleştirilmiş ürünlerden biridir ve hidrojen bu işlevlerinde kritik bir önem taşır." diyerek, hidrojenin önemine dikkat çekiyor.

Artık hidrojen bağlarını doğrudan ölçebiliyoruz. Evrenin en temel yapı taşlarından birini yepyeni bir ışıkla görmek üzereyiz ve bu üst seviye fiziğin bizi nereye götüreceğini görmek için sabırsızlanıyoruz.

Bu araştırma, Science Advances'de yayınlandı.

Çeviri: Berfin Dağ


Referanslar
1. Science Alert; "Hydrogen Bonds Have Been Directly Detected For The First Time
<http://www.sciencealert.com/hydrogen-bonds-have-been-directly-detected-for-the-first-time>

2. Science Advances; "Direct quantitative measurement of the C═O⋅⋅⋅H–C bond by atomic force microscopy"
<http://advances.sciencemag.org/content/3/5/e1603258.full>

Görseller
1. Shigeki Kawai, Science Advances

2. Basel Üniversitesi, Fizik Bölümü