دانشمندان واکنش‌های شیمیایی موسوم به «رومینگ» را مشاهده کرده‌اند، واکنش‌هایی که در نقاط خاصی از کمترین انرژی «مسیر کم‌مقاومت» در حالت‌های بسیار برانگیخته برای اولین بار دور می‌شوند.

فرض بر این است که واکنش های شیمیایی در طول مسیر حداقل انرژی خود ادامه می یابند. در سال های اخیر، واکنش های به اصطلاح رومینگ شروع به مشاهده شده است که از این مسیر بسیار منحرف می شود، اما فقط برای مواد شیمیایی. انواع در حالت پایه یا حداکثر اولین حالت برانگیخته آنها. با این حال، محققان قبلاً واکنش رومینگ را حتی در حالت‌های انرژی بسیار هیجان‌زده مشاهده کرده‌اند.

محققان موسسه فیزیک شیمی دالیان (DICP) در آکادمی علوم چین (CAS) یافته‌های خود را در مقاله‌ای که اخیراً در این مجله منتشر شده است، شرح دادند علوم پایه.

دینامیک واکنش های شیمیایی

تا همین اواخر، شیمیدانان تصور می‌کردند که واکنش‌های شیمیایی در مسیری پیش می‌رود که آن‌ها آن را مسیرهای حداقل انرژی می‌نامند – مسیر واکنشی که کمترین مقدار انرژی را بین پیکربندی پایدار اولیه مولکول و حالت پایدار نهایی آن مصرف می‌کند. در یک نقطه خاص در هر واکنش شیمیایی یک “حالت گذار” وجود دارد که در آن انرژی پتانسیل حداکثر مقدار را دارد. این می تواند شبیه به توپی باشد که از تپه بالا می رود و دوباره به پایین برمی گردد. اما این حالت گذار “در بالای تپه” هنوز در مسیر حداقل انرژی است. واکنش ها نباید از این مسیر کمترین مقاومت منحرف شوند.

اما در سال 2004، محققانی که تجزیه فرمالدئید را هنگام بمباران فوتون‌ها مطالعه می‌کردند (یک واکنش شیمیایی به نام «تجزیه عکس») وقتی متوجه شدند که واکنش‌های شیمیایی وجود دارد که می‌توانند به خوبی از مسیر حداقل انرژی منحرف شوند، شوکه شدند.

این انحراف یا به طور دقیق تر «رومینگ» زمانی اتفاق می افتد که شکاف مورد انتظار یک پیوند شیمیایی در عوض «ناامید» شود: یک جزء یک مولکول شروع به اجتناب از مولکول مادر خود می کند، اما متوجه می شود که انرژی کافی برای انجام این کار را ندارد. بنابراین، در عوض، جزء به سادگی به دور قطعه مولکولی باقی مانده در یک حالت انرژی غیر حداقل می چرخد. این مدار را تا زمانی ادامه می دهد که با یک مکان واکنشی (محل فیزیکی مولکول که در آن واکنش انجام می شود و پیوند شیمیایی جدیدی تشکیل می شود) مولکول دیگر برخورد کند و به مسیر حداقل انرژی بازگردد.

از آن زمان مشخص شد که این “واکنش های رومینگ” فقط اتفاقی نیستند، بلکه مکرر هستند.

فو بینا، یکی از نویسندگان مقاله از DICP می گوید: «به نظر می رسد که رومینگ جنبه کلی واکنش شیمیایی است که قبلاً هرگز متوجه آن نشده بود.

یافته ها و اهمیت اخیر

مطالعات بیشتر واکنش‌های رومینگ را در هر دو حالت پایه، کمترین انرژی ممکن مولکول، و در اولین حالت‌های برانگیخته مشاهده کرده‌اند. هنگامی که انرژی جذب می کند، یک الکترون در یک مولکول به سطوح انرژی بالاتری به نام حالت های برانگیخته می پرد. اما رومینگ فقط در اولین حالت‌های هیجان‌انگیز مشاهده شد، نه در هیچ حالت هیجان‌انگیز بعدی. همچنین مشاهده نشده است که رومینگ منجر به تولید محصولات برانگیخته الکترونیکی واکنش شیمیایی شود.

با این حال، نویسندگان مقاله گزارش می‌دهند که برای اولین بار رومینگ حالت بسیار هیجان‌انگیز را مشاهده کرده‌اند، در این مورد در طول تفکیک نوری دی اکسید گوگرد (SO₂) مولکول های موجود در گوگرد و اکسیژن (مولکول SO₂ تجزیه می شود اتم گوگرد، S، و یک مولکول اکسیژن، O₂هنگام بمباران نور).

نتایج آنها دو مسیر ممکن متفاوت برای تفکیک را نشان می دهد. یکی در امتداد مسیر حداقل انرژی مورد انتظار پیش می رود تا O از نظر ارتعاشی سردتر تولید کند₂ مولکول، و دیگری یک O “به طور ارتعاشی داغتر” می دهد₂ مولکول در حالت برانگیخته الکترونیکی خود

یوان کایجون، یکی دیگر از افراد مرتبط، گفت: «واکنش دوم این کار را از طریق یک مسیر رومینگ انجام می‌دهد که شامل نوعی «نقطه» از یک اتم اکسیژن است که ما آن را «انتزاع درون مولکولی» می‌نامیم، در طی حرکتی که در آن مولکول خود را تغییر می‌دهد.» نویسنده مقاله DICP

هر زمان که احتمال مواجهه با «شکاف پیوند ناامیدکننده» افزایش می‌یابد، احتمال واکنش‌های رومینگ در حالت‌های بسیار هیجان‌زده و تولید محصولات الکترونیکی برانگیخته افزایش می‌یابد. محققان بر این باورند که چنین پویایی رومینگ ممکن است به جای استثنایی برای تفکیک نوری مولکولی از طریق حالت های بسیار برانگیخته، یک قانون باشد.

محققان به SO علاقه مند بودند₂ به ویژه با توجه به اهمیت آن در جو زمین. تغییرات در فراوانی SO₂ تاثیر بر تعادل تشعشعی سیاره و در نتیجه بر آب و هوا و SO₂ از فوران های آتشفشانی یکی از دو منبع مهم ذرات معلق در استراتوسفر است، و محصولات برانگیخته الکترونیکی خود واکنش های بسیار متفاوتی در جو، فضا و در احتراق نشان می دهند. در نهایت، تفکیک نوری SO₂ ممکن است در درک منابع اکسیژن مولکولی اهمیت زیادی داشته باشد (O₂) در جو بدوی زمین قبل از پیدایش حیات.

در نتیجه یافته‌های خود، محققان استدلال می‌کنند که مکانیسم رومینگ تولید اکسیژن مولکولی اکنون باید در مدل‌سازی فتوشیمیایی اتمسفر سیارات با گسیل‌های آتشفشانی غنی SO گنجانده شود.₂.

مرجع: “رومینگ در حالت های بسیار هیجان زده: حذف اتم مرکزی در تجزیه یک مولکول سه اتمی” توسط Zhenxing Li، Yan-lin Fu، Zijie Luo، Shuaikang Yang، Yucheng Wu، Hao Wu، Guorong Wu، Weiqing Zhang، بینا فو، کایجون یوان، دونگهوی ژانگ و ژئومینگ یانگ، 15 فوریه 2024، علوم پایه.
DOI: 10.1126/science.adn3357