Katalog

En hızlı "fotoğraf çekme" tekniği molekullerin geçiş durumuna kadar takıp ettıklen yol ve geçiş durumundaki şeklı hakkmda pek az şey büırayordu. Tereza Varnalı* lOOyıllık araştırma Svante Anrhenina (1903 Nobel Kimya Ödülü sahibi) yan't Hoff 'tan (1901 ilk Nobel Kimya Odülu sahibi) esinlenerek, 100 yü kadar önce tepkıme hızını sıcaklıgın fonksiyonu olarak formül üe ıfade etti. Bu aynı anda bırçok molekule (mokroskopik sıstem) ve nispeten uzunca zamana tekabül ediyordu. 1930'larda H. Eyring ve M. Polanyi mikroskopik sistemlerde her bir molekülü temel alan bir teori üe yola çıktı lar. Bu teoriye göre geçiş konumu çok hızlı geçümekteydi. Zaman ölçegi moleküler titreşimlerle aynı ölçektı. O zaman hiç kimse bu ölçege uygun deneylerirugerçekleşebılecegıni hayal büe edemezdı. Zewail bunu amaç edindi. 1980lerin sonunda femtokimyanm dogmasına yol açan bir dizi deney yaptı. Çok hızlı bir fotoğraf makinesi kullanarak kimyasal tepkıme esnasında molekülleri görüntülemeyi ve geçiş konumundakı resımlerini çekmeyı denedi. Kullandıgı fotoğraf makinesi 10 fe zaman biriminde yanıp sönen, ışıyan yeni lazer teknolojisi üe donatılmıştı. Bir molekülün atomlarının bir ütreşırni 10100 fs'dir. Zaman ölçeginde daha hassas olundukça kimyagerler neler gordü? Önce başlangıçtan son ürüne vanlana kadar arada oluşan maddeler bulundu ve ara ürünler tabir edüdi. Bunlar karalı moleküller ve molekül lasımlanydüar. Daha sonra, hassaslaştıkça, tepkime zincirine halkalar üave edüdı ve kısa onıürlü ara ürünler bulundu. Hepsinı bir araya getirerek tepkimenin mekanizması anlaşümaya çahşüdı. Zevvaü'in Nobel Ödülü almasına sebep olan katkı yolun sonuna geldik anlamındadır. Hiçbir kimyasal tepkime bundan daha hızlı değüdır. Femtosaniye spektroskopisi üe ük defa geçiş konumunu "yavaş gösterım" üe ızleyebüıyoruz. Geçiş engeli aşüdıktan sonra neler olduğunu görebüiyoruz. Arrhenious ve van't Hoff formüllerinin mekanistık nedenlerım aıüıyoruz. I sveç Kraliyet Bilimler Akademisı 1999 Nobel Kimya Ödülü'nü, kimyasal tepkimeleııde moleküllerde atomlann nasıl hareket ettüderini görmenin hızlı lazer tekniği ile mümkün olduğunu gosterdığı için ABD'de California Institute of Technology, Pasadena JUuned H. Zewail'e veıdi. Ahmet H. Zewail, öncul araştırmasını, temel kimyasal tepkımeleri gerçekte oluştukları zaman ölçeğinde ultrakısa lazer ışınlan kullanarak gerçekleştirdi. Profesör Zevvaü'in araştırmaları kimyada ve yan bilim dallannda devrim yaratti, çünkü bu tür araştırmalar önemlı kimyasal tepkımeleri anlarnamıza ve öngörmemize imkân tanıyor. NaI*Na+I. Ilk vuruş atomlararası uzaklığı 2.8 Angstrom olan Na+I iyon çiftini (Şekü 1) "aktıf" hale sokar. Kovalent bağlıymış gibi titreşime giren Nal özellüdermi kaybeder. 1015 A uzaklıkta iken iyon özelük, daha kısa uzaklıklarda kovalent özellık gösterir. Titreşim esnasında tam 6.9 A uzaklıkta molekülün kararlı haline dönme veya sodyum ve iyot atomlarına dönüşme olasüığı çok büyüktür. ŞEÖL1 Zewail hidrojen üe karbondioksit arasındaki tepkimeyi Famtokimyanın gelişimi ödüllendiritdi Televızyonda izlenen bü futbol maçı gol atüdığında oyunculann ve topun hareketlerini gösteren "yavaç gösterim" olmasaydı neye benzerdı? Kimyasal tepkimeler de buna benzer. Kimyagerlerin kimyasal tepkımeleri erı ince detayları na kadar takip etme isteği teknolojinin gelışmesıni teşvik etmiştir. Bu yü Nobel Kimya Ödülü'nü alan Ahmet H. Zewail bir kimyasal tepkıme esnasında atomlan ve molekülleri "yavaş gösterim"de incelemış, gerçekte bağların nasıl kınlıp yenilerinin oluştuğunu izlemiştir. Zevvail'in kullandıgı teknik dünyanın en hızlı fotoğraf makineıi olarak tasvır edilebüir. Kullanılan lazer ışınları o kadar kısa sürelidir ki, bizi kimyasal tepkimelerin gerçekte yer aldıgı zaman ölçeğıne çeker femtosaniye (fs). Bir femtosaniye 10 " 1 5 sanıyedir yaru 0.000000000000001 sanıye. Fizikselkimyanın bu alanı femtokimya olarak adlandırümıştır. • Femtokimya, neden bazı kimyasal tepkimelerin olup digerlerırun olmadığuıı anlamamıza imkân verir. Kimyasal tepkimelerin verimlerinin ve hızlarıran neden sıcaklığa bagımlı olduğunu da açıklayabilırız. Bilim adamlan bütün dünyada femtosaniye spektroskopısi üe gazdaki, sıvıdaki, kat haldeki, yü zeylerdeki ve polimerlerdeki süreçleri inceliyorlar. Uygulamaları çok değişik olup moleküler elektronik parçalann nasıl olacagından, katalizlerin nasıl faaliyet gösterdiginden, hayatsal faaliyetlerin en hassas mekanızmalarına, gelecegin ilaçlannın nasıl yapılması gerektığıne kadar gıder. C O + OH Atmos ferde ve yan ma esnasında olan bu tepkimenin HOCO halinin uzunca (1000 fs), sürdüğünü gösterdı. 10 15 20 Araştırmada patlama Organık kımyada çok araştırüan model tepkimelerden biri siklobutan halkasının açüıp etüene dönuşümü veya bunun tersidir. Tepkime Şekü 2'de solda gösterüdıği gibı basit bir geçiş engelini aşarak veya sağda gösterüdıği gibi ikı geçiş konumu ıçeren bir mekanizmadan geçebüir. Zevvaü ve grubu ana ürün (700 fs omurlü) oluşarak sağdaki mekanizmanın gerçekleştiğıni gösterdi. ŞEKTL2 Femtosaniye teknolojisi kuüanüarak araştırüan bir başka Uygulamalı femtokimya Femtosanıye spektroskopısınde ana maddeler bir vakum haznesinde kanştınlırlar. Ultrahızlı bir lazerle iki vuruş yapüır. IM güçlü olup tepkimenin başlamasını sağlar, üdncisi ise daha zayıf olup ana maddelerı görecek dalga boyunda seçüerek neler olup bittiğini görüntüler. İki vuruşun arasmdaki zaman dilimı üe oynayarak tepkimenin ne kadar çabuk olduğunu anlamak mümkündür. Molekülün geçiş konumunda aldığı yeni şeklin (birden fazla geçiş konumu da olabüir) spektrumu parrnak izi görevini görebüir. Vuruşlar arası zaman dilimi ıkineı vuruşun aynalar yardımıyla yolu uzatüarak yapüabilir. Çok uzun bir yol değü: Işık 0.03 mm uzaklığı 100 fs'de kat eder. Olanı daha iyi anlamak içm parmak izi ve zaman spekrumlara dayanan teorikkuvantum kimyasalsimülasyonlarla (1998 Nobel Kimya Ödülü) ve molekullerin değışik enerji durumlarıyla karşüaştırüır. F F F F Ne kadar hızlı? Kimyasal tepkimeler, hepimizin bildıgı gibi çok degişik hızlarda olabılirler patlayan dinamit ile paslanan çivryi kıyaslayabilirsıruz! Bırçok kimyasal tepkimenin ortak özelligi sıcaklıgın artmasıyla hızın da artmasıdır. Bu nedenle araştırmacüar uzun süredır bir molekülün kimyasal tepkimeye girebümesi için önce 'aktıf' hale getirümesı, geçiş engelıni aşmak üzere 'ittirilmesı' gereğıne ınandılar. lki molekül çarpıştığı zaman genelde bir şey olmaz, gerı sekerler. Eger sıcaklık yeterınce yuksekse çarpışma şiddetli olur, iki molekül kimyasal tepkimeye gırer ve yeni moleküller oluşur, Yeterince güçlü bir 'sıcaklık ıttirmesı' üe tepkıme ınamlmaz hızlı olur. Bu arada kimyasal baglar larüır ve yenıleıı oluşur. Yavaş tepkımelerde (paslanan çivi) de bu olur ancak 'sıcaklık ıttirmesı' daha seyrek olur. Aralanndaki fark bundan ibarettir. Geçiş engeli molekulun atomlannı bir arada tutan kuvvetlere bağlıdır (kimyasal baglar). Yakın geçmişe kadar ilk deneyler Ilk dcneylerinde Zewaü aşağıdaki kimyasal tepkimeyi mceledi. ICN» + CN ICN bağının kınlmak üzere olduğu an geçiş konumu gözlendı, tüm tepkime 200 femtosaniyede oldu. Incelenen bir başka onemlı tepkime: yapabüen Schoonshıp adını verdiğı bir bügısayar programı gelıştvnyordu. 1969'da ise Gerardus 't Hooft adlı 22 yaşında bir doktora öğrencısını bu konuya yöneltti. 't Hofft ınanümaz bir başarı gösterdi ve 1971 'de renoımaüzasyonun VVeinbergSalam tipi teorüerde de geçerlı olacağını ikı makale üe büyük olçude kanıtladı. Sonra da Veltman'la bırhkte bügısayar programıru da kullanarak elektrodinamiktekı kadar sistematik bir renormalizasyon programım oı taya koydular. Bu netıceler herkesın WeınbergSalam teorisini ciddıye almasına ve uzerinde çalışmasına yol açtı. Yeni teorüc hesaplar yeni deneylerle karşüaştırınca ve gerekli "charrn" çeşnüi kuark bulununca, teori kısmen doğrulandı ve 1979'da Glashovr, Salam ve Weinberg Nobel'ı paylaştüar. 1984'te W ve Z ara tepkime tipi fotoisomerizasyon yani ışık üe bir yapınm diğerine dönüşürnüdur. İki benzen halkasını içeren stüben molekülünün sis ve trans yapüarının donuşumunu Zewaü ve grubu inceledüer. Tepkıme esnasında iki benzen halkasının senkronize bir şeküde döndüğüne karar verdüer. Zevvaü'in çalışmalannı izleyen femtosaniye araştırmaları tüm dunyada çeşitli konularda sürdürülmektedır. Bıyolojık sıstemler önemli bir araştırma alanı oluştururlar. Tepkimelerin mekanizmalarının büınmesi tepkimelerin kontrol edümesi açısından çok önemlidir. lstenen kimyasal tepkıme genellikle istenmeyen başka tepkimelerle bırükte oluştuğundan urunleri ayrıştırmak ve saflaşurmak gerekır. Bütün bunların önüne geçmerun bir yolu bazı bağların aktif hale sokulup tepkimenin kontrol altında olmasını sağlamaktır. Femtokimya kimyasal tepkımelere bakış açımızı degiş tirmiştir. Aktif ve geçiş konumu olarak nıteledığimız durumlar belirsiz olmaktan çıkmış, izlenir olmuştur Atomlar ve moleküller artık görülur olmuşlardır. *Prot Dr. B.U. bozonları CERN laboratuvarında beklenen kutle Ve özellüder de bulundu, bu da Carlo Rubbia ve Simon van der Meer'e Nobel sağladı. Bu ara bozonlar CERN'deki LEP çarpıştırıcısırida daha hassas deneylerde incelenince elde edüen neticeler 't Hooft ve Veltman'ın ortaya koydukları hesap tekrükleri üe bulunan teorü< neticelere uyuyordu. Artık ayrı ayrı Elektromanyeük ve Zayrf etküeşmelerden değü, Elektrozayıf etküeşmelerden soz edüır oldu. Butun bunlan mümkün kılan bu iki teorıcıye neredeyse 30 yü sonra verüen bu odulun belki bu kadar beklemesi gerekmezdi. Teonnın Higgs parçacığını bulacak deneycinin de Nobelinin garanti olacağını şimdiderı soyleyebüiriz. (*) Prof. Dr. BÜ halde, esırle etküeşmelerinden gelen bir eylemsizlik, yani kütle kazanabüeceklerdi. Fikir son derece çekıcı, VVeinberg ve Salam da gayet ciddıye alınan fizikçüer olduğu halde, teorı üçdort sene hemen hıç ilgi görmedi, zira kimse çok daha basıt bir teorı olan Kuantum Elektrodinamiginde büe gayet zorlukla yapüabüen Renormalizasyon ıspatına bu son derece karmaşık yeni teori için girişmeyi göze alamıyordu. Karmaşıklığın içine dalan iki kişi Utrecht, Hollanda'da ü<a kışi hariç: Genç profesör Martinus Veltman bu korkunç hesapların bir kısmının yapüabümesi veya en azından doğrulanabümesi için cebiısel hesaplar 657/14