Ο χημικός τύπος του νερού δεν είναι στην πραγματικότητα H₂O

Άρθρο, Φεβρουάριος 2004

Ο χημικός τύπος του μορίου του νερού δεν είναι στην πραγματικότητα H₂O, τουλάχιστον από την σκοπιά των νετρονίων και των ηλεκτρονίων που αλληλεπιδρούν με το μόριο για χρονική διάρκεια λίγων αττοδευτερολέπτων (1 attosec=10^-18 sec).

Σύμφωνα με νέα και πρόσφατα πειράματα, αν δέσμες νετρονίων και ηλεκτρονίων βομβαρδίσουν  μόρια νερού για λίγα αττοδευτερόλεπτα, θα δουν ότι στο νερό η αναλογία του υδρογόνου με το οξυγόνο είναι κατά προσέγγιση 1,5 προς 1. Έτσι ένας πιο ακριβής τύπος για το νερό κάτω από αυτές τις συνθήκες θα ήταν H_1.5O.

Σύμφωνα με τον υπεύθυνο του πειράματος Άρη Χατζηδημητρίου, του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Βερολίνου, αυτό το μικρό χρονικό παράθυρο 10^-18 sec μπορεί να αποκαλύψει έντονα κβαντικά φαινόμενα, που κάποτε ήταν πάρα πολύ σύντομα για να συλληφθούν.

Εν τούτοις, τέτοια αποτελέσματα μπορούν να αναθεωρήσουν τις συμβατικές έννοιες των βιβλίων για το νερό αλλά και άλλων μορίων. Επιπλέον, αυτά τα πειράματα μπορούν να δώσουν νέες ιδέες για τις χημικές αντιδράσεις στην κλίμακα των 100-500 αττοsecond.

Στις συγκρούσεις των μορίων με νετρόνια και ηλεκτρόνια διασπώνται οι χημικοί δεσμοί στα μόρια, σύμφωνα με παρατηρήσεις που γίνονται με τη βοήθεια λέιζερ (με παλμούς διάρκειας λίγων attosecond), απομακρύνοντας απλώς τα ηλεκτρόνια από τα άτομα.

Η εφεύρεση των λέιζερ το 1960, έδωσε τη δυνατότητα στους φυσικούς να ερευνήσουν καλύτερα το μικρόκοσμο. Τη δεκαετία του '80 δημιουργήθηκαν παλμοί ολίγων femto-second (10^-15 sec),  και μάλιστα το 1999 απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Χημείας στον Αχμεντ Ζιβέιλ, για την παραγωγή femto-παλμών και τη χρησιμοποίησή τους στη διερεύνηση των κινήσεων των μορίων στις χημικές αντιδράσεις.

Τα αρχικά πειράματα

Η ιστορία αρχίζει το 1995. Σε μια επιστημονική συνεργασία, επιστήμονες από τη Γερμανία και την Αγγλία, διεξάγουν πειράματα στο βρετανικό εργαστήριο ISIS. Σε αυτά, νετρόνια με ενέργεια λίγες εκατοντάδες eV βομβαρδίζουν ένα στόχο, που περιείχε μόρια νερού. Ανιχνεύοντας τον αριθμό και τη μείωση της ενέργειας των σκεδαζομένων νετρονίων στις συγκρούσεις, διάρκειας λίγων atto δευτερολέπτων, οι ερευνητές βρήκαν κατά 25% λιγότερα σκεδασμένα νετρόνια απ' όσο ανέμεναν από τα πρωτόνια του υδρογόνου. Προφανώς, τα πρωτόνια στο υδρογόνο που πάνω στα οποία ανακλώνται τα νετρόνια, ήταν λιγότερα από όσα προβλέπει η θεωρία. Δηλαδή τα πρωτόνια ήταν μερικές φορές "αόρατα" στα νετρόνια-βλήματα.

Προφανώς αυτό γίνεται επειδή τα σκεδασμένα νετρόνια «αντιλαμβάνονται» τον «συνδυασμό» όλων των πρωτονίων του νερού και όχι το καθένα ξεχωριστά

Ενώ συζητούνται ακόμα οι ακριβείς λεπτομέρειες από τους θεωρητικούς, οι θεωρητικές εκτιμήσεις των ερευνητών δείχνουν την παρουσία μιας βραχύβιας διεμπλοκής μεταξύ των πρωτονίων, στην οποία τα πρωτόνια στα παρακείμενα άτομα υδρογόνου (και ενδεχομένως τα περιβάλλοντα ηλεκτρόνια), είναι όλα συνδεδεμένα με τέτοιο τρόπο ώστε να μεταβάλλεται η φύση των αποτελεσμάτων της σκέδασης.

Στα ελάχιστα αττοδευτερόλεπτα που απαιτούνται για τη σκέδαση, τα πρωτόνια βρίσκονται σε μια ευαίσθητη κατάσταση κβαντικής διεμπλοκής. Η διεμπλοκή αυτή κάνει τα σκεδαζόμενα νετρόνια να συμβάλλουν με τον εαυτό τους (μια τυπική εκδήλωση της κβαντικής παραδοξότητας), μειώνοντας έτσι τις πιθανότητες ανίχνευσης.

Η διεμπλοκή στον μικρόκοσμο

Η διεμπλοκή είναι μια παράξενη ιδιότητα του μικρόκοσμου, που οφείλεται στο γεγονός ότι όλα τα στοιχειώδη συστατικά της ύλης - πρωτόνια, νετρόνια και ηλεκτρόνια - συμπεριφέρονται και σαν κύματα κι όχι μόνο σαν σωματίδια.

Σε πολλές εφαρμογές χρησιμοποιούμε συνήθως την εικόνα του σωματιδίου,  επειδή περιγράφει καλύτερα τα φαινόμενα που παρατηρούμε. Η εικόνα αυτή είναι καλή προσέγγιση της πραγματικότητας όταν τα κύματα που περιγράφουν τα διάφορα σωματίδια μπορούν να θεωρηθούν ανεξάρτητα. Όταν όμως αυτό δεν είναι δυνατόν, όταν δηλαδή τα κύματα των διαφόρων σωματιδίων 'συμβάλλουν' μεταξύ τους, προκύπτουν 'νέα' κύματα που δεν αντιστοιχούν σε κάποιο μεμονωμένο σωματίδιο αλλά σε συνδυασμό σωματιδίων.

Στην περίπτωση αυτή προκύπτουν φαινόμενα που αντιβαίνουν στην καθημερινή εμπειρία ή ακόμη φαίνεται να παραβιάζουν βασικές αρχές της φυσικής.

Τα διαπλεγμένα κβαντικά συστήματα συμπεριφέρονται με τρόπους που είναι αδύνατοι στον κλασσικό κόσμο. Δηλαδή, τα διαπλεγμένα σωματίδια συμπεριφέρονται σαν να ήταν συνδεδεμένα το ένα με το άλλο, άσχετα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους. Η απόσταση δεν ελαττώνει καθόλου τον βαθμό διεμπλοκής. Αν κάτι είναι διαπεπλεγμένο με ένα άλλο σωματίδιο, και εκτελέσουμε μια μέτρηση σ' αυτό, συγχρόνως παίρνουμε πληροφορία και για το άλλο σωματίδιο.

Το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης των κυμάτων δύο ή περισσοτέρων σωματιδίων (διεμπλοκή), μελετάται συνήθως σε ύλη πολύ αραιή  ή σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία. Ο Χατζηδημητρίου δοκίμασε να παρατηρήσει την διεμπλοκή και όταν η ύλη παρατηρείται για πολύ σύντομα χρονικά διαστήματα.

Σε ένα πείραμα του, το 1993, μετρούσε τις ταλαντώσεις των ατόμων του υδρογόνου στο μόριο του νερού σε θερμοκρασία δωματίου φωτίζοντάς τα με μία ακτίνα φωτός. Η συσκευή που χρησιμοποιούσε τότε δεν ήταν καθόλου ευαίσθητη, με αποτέλεσμα να χρειαστούν μετρήσεις ενός ολόκληρου έτους για να ολοκληρωθεί το πείραμα. Το αποτέλεσμα, ότι δηλαδή η προσέγγιση στην οποία βασίζεται η κλασική χημεία δεν ισχύει σε ορισμένες περιπτώσεις, ήταν τόσο απρόσμενο ώστε η εργασία χρειάστηκε να περάσει από επτά κριτές ώσπου να δημοσιευθεί το 1995.

Κι άλλα πειράματα

Όμως, πολλοί ερευνητές δεν δέχθηκαν την ερμηνεία της διεμπλοκής και αντιπρότειναν ότι η μείωση του αριθμού των πρωτονίων που βλέπουν τα νετρόνια, οφείλεται σε κάποιες περίεργες ιδιότητες του νερού. Για παράδειγμα, η πυκνότητα του νερού είναι μικρότερη στους 4 βαθμούς και όχι στους 0. Στο γεγονός αυτό οφείλεται το ότι οι ωκεανοί της Γης δεν είναι γεμάτοι από πάγους, αφού το ψυχρότερο νερό, με θερμοκρασία κάτω από τους 4 βαθμούς, ανεβαίνει στην επιφάνεια και έτσι θερμαίνεται από τις ακτίνες του Ηλίου.

Για να αποκλεισθεί αυτό το ενδεχόμενο ο Χατζηδημητρίου αλλά άλλοι ερευνητές επανέλαβαν το πείραμα με άλλες ουσίες (βενζόλιο) ή με άλλα βλήματα (ηλεκτρόνια) εξάγοντας ακριβώς το ίδιο αποτέλεσμα.

Για να μη χρησιμοποιήσουν νερό, που έχει όπως είπαμε ανώμαλες ιδιότητες, οι ερευνητές επανέλαβαν τα πειράματα νετρονίων και σε άλλα πιο χαρακτηριστικά μόρια, παραδείγματος χάριν στο βενζόλιο (C₆H₆). Σε αυτή την περίπτωση, διαπίστωσαν ότι τα νετρόνια αντιλήφθηκαν μια σχέση του αριθμού των ατόμων του υδρογόνου με τον άνθρακα 4,5 έως 6! 

Εν τω μεταξύ, αυτό το φαινόμενο επιβεβαιώθηκε, επίσης, και σε υδρογονωμένα μέταλλα, στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα στη Σουηδία.

Τώρα, οι ερευνητές (με νέους συνεργάτες στην Αυστραλία) αποφάσισαν να χρησιμοποιήσουν μια ανεξάρτητη πειραματική μέθοδο για να ελέγξουν αυτό το φαινόμενο. Έτσι, σε πειράματα που έγιναν στο Πανεπιστήμιο στην Καμπέρα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ηλεκτρόνια σαν βλήματα αντί των νετρονίων, καθώς τα δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν με τα πρωτόνια μέσω πολύ διαφορετικών δυνάμεων (ισχυρών πυρηνικών και ηλεκτρομαγνητικών).

Προκαλώντας σκέδαση ηλεκτρονίων από ένα στερεό πολυμερές σώμα, το formvar (C₈H₁₄O₂), παρατήρησαν ακριβώς το ίδιο έλλειμμα στα σκεδαζόμενα ηλεκτρόνια από τους πυρήνες του υδρογόνου, παρόμοιο με το έλλειμμα των νετρονίων σε πειράματα με νετρόνια στο ίδιο πολυμερές σώμα.

Αυτό το αποτέλεσμα υποστηρίζει τα προηγούμενα αποτελέσματα για το νερό και άλλα συστήματα.

Ποιος είναι

Ο Άρης Χατζηδημητρίου γεννήθηκε στην Αθήνα, όπου και πέρασε τα σχολικά του χρόνια. Σπούδασε Φυσική και Φιλοσοφία της Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου και στη συνέχεια ανακηρύχθηκε διδάκτωρ και υφηγητής του Πολυτεχνείου του Βερολίνου στη φυσική χημεία. Η ερευνητική δουλειά του περιστρέφεται γύρω από τις εφαρμογές της κβαντομηχανικής στη συμπυκνωμένη ύλη.

Αναφορά: Chatzidimitriou-Dreismann et al., Physical Review Letters, 1 August 2003, Χ. Βάρβογλης από το Βήμα.