تم أخيرًا اكتشاف جزيء بعيد المنال

أخيرًا تم حل لغز كيميائي قديم، وقد يؤدي اكتشاف OCCO إلى تطبيقات محتملة تتراوح من العمليات الصناعية المبتكرة إلى الكيمياء البيئية.

[ترجمة د.نحماني موشيه]

اكتشف علماء من جامعة أريزونا جزيئًا غامضًا، على الرغم من أن بنيته على الورق بسيطة جدًا، إلا أنه لا يزال يدفع الكيميائيين إلى مناقشة البنية، أو حتى إمكانية وجودها، لأكثر من قرن؛ ومثل العديد من الاكتشافات الأكثر أهمية في العلوم، ولد هذا الاكتشاف من قارورة كانت منسية لفترة طويلة في الثلاجة، في هذه الحالة في مختبر أندريه سانوف، الأستاذ في قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة ستانفورد. جامعة أريزونا.

أبلغ فريق الباحثين عن أول ملاحظة وتوصيف طيفي مثبت على الإطلاق لمادة الإيثيلينديون، أو "OCCO"، والتي تمثل جزيئين من أول أكسيد الكربون مرتبطين كيميائيًا ببعضهما البعض. يجذب هذا الجزيء الكثير من الاهتمام لأسباب عديدة: من دوره المفترض كوسيط سريع للغاية في العديد من التفاعلات الكيميائية إلى خصائصه المفترضة كدواء معجزة. قام الباحثون بإعداد الجزيء محل الاهتمام من الأيون السالب المقابل له، واستخدموا طريقة قياس تسمى التحليل الطيفي للتصوير الإلكتروني الضوئي لتحليل المنتج النهائي. في هذه الطريقة، يتم استخدام نبضات الليزر لإزالة الإلكترونات من الجزيئات، بهدف تكوين أيونات موجبة الشحنة. أثبتت النتائج وجود الأنواع الخفية وكشفت أيضًا عن خصائصها الأساسية المهمة، مع تطبيقات ليس فقط لفهم الأنواع الجزيئية المعروفة باسم الجذور، ولكن أيضًا للتطبيقات في مجالات العمليات الصناعية واستخدامها في الكيمياء البيئية ونمذجة المناخ.

لقد ظل الكيميائيون يدرسون هذا الجزيء مرارًا وتكرارًا منذ عام 1913، عندما تم اقتراح وجوده لأول مرة. في الأربعينيات من القرن الماضي، كان الأمر مثيرًا للجدل بشكل خاص في أيام الجزيء، حيث زُعم أنه الشكل النشط لمادة الجليوكسيل، وتم اقتراحه كدواء ضد قائمة طويلة من الآلام، بدءًا من الإرهاق وحتى السرطان. وقد تبين عدم صحة هذه الادعاءات بعد إجراء فحص من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) والذي أثبت أن المادة التي تم اختبارها ليست سوى ماء؛ وعلى الرغم من ذلك، لا تزال هناك قصص حتى يومنا هذا عن أسطورة هذه المادة كعلاج معجزة مفقود للسرطان.

وفقًا للباحث الرئيسي، فإن أحد الحوافز لإثبات وجود جزيء الإيثيلينديون هو اللغز الأساسي الأنيق الذي يقدمه: يمكن لمعظم الطلاب الحاصلين على تعليم كيميائي أساسي رسم الصيغة الهيكلية للجزيء بسهولة: O=C=C=O . على مر السنين، كان الوجود المتوقع للجزيء مدعومًا أيضًا بنتائج التنبؤ بالنظريات المتقدمة. وفي الوقت نفسه، فشلت جميع الدراسات السابقة في تقديم دليل تجريبي قوي على وجود الجزيء، وهنا يكمن اللغز. يقول الباحث الرئيسي: "نحن لا نتحدث هنا عن مركب معقد". "هذا جزيء صغير يحتوي على أربع ذرات فقط وبنية واضحة إلى حد ما. أليس من المنطقي أن يتمكن العلم الحديث من حل هذه المشكلة"؟

يكمن مفتاح اللغز في الطبيعة غير المستقرة للجزيء، الذي يميل إلى التحلل إلى جزيئين من أول أكسيد الكربون (CO) بعد نصف نانو ثانية فقط. يشار إلى الجزيء نفسه من قبل الكيميائيين على أنه ثنائي الجذر. تلعب الجذور وثنائي الجذور دورًا مهمًا بشكل خاص في التحكم في آليات ومنتجات التفاعلات الكيميائية، وهي التفاعلات التي تحدث في جميع مجالات الحياة والصناعة والتكنولوجيا والبيئة. يقول الباحث: "الراديكاليون والمتطرفون موجودون في كل مكان حولنا". "يمكن تصورها على أنها جزيئات ذات إلكترونات غير متزاوجة تعمل كمواد "عاطلة عن العمل" تبحث عن الاهتمام، أي أنها حريصة على التفاعل مع جزيئات أخرى. الجذر هو جزيء يحتوي على أحد هذه الإلكترونات غير المتزاوجة، وثنائي الجذر هو جزيء يحتوي على إلكترونين من هذا القبيل."

ويوضح الباحث: "لقد بدأنا البحث في ضوء اهتمامنا بالأنظمة ثنائية الجذور وكجزء من هذه التجارب قررنا شراء مادة جليوكسال، وهي مادة مربحة في الصناعة لم يتم فحصها بشكل دقيق كجزيء محتمل لتطبيقات التوليف بسبب محتواه العالي من الماء، مما يعني أن معالجته ستصبح صعبة بشكل خاص"، يوضح الباحث. "رأينا أن نسبة الماء فيها تقترب من 60%، فقلت لنفسي - حسناً، سنعود إلى هذه المادة في المستقبل". وخلال محادثة مع زميل محترف، أصبح الباحثون على علم بجزيء آخر يعمل بمثابة "المنخل الجزيئي" الذي يزيل المحتوى المائي العالي من الجليوكسال. "بمجرد أن حصلنا على الجزيء في حالة غازية، تمكنا من فحصه في مطياف الكتلة الخاص بنا وتمكنا من الحصول على إشارة واضحة وحادة عنه. لقد حاولنا العثور على اسم للجزيء الجديد، وزودنا موقع ويكيبيديا باسم إيثيلينديون. عندها فقط لاحظنا أننا وجدنا شيئًا جديدًا." في الخطوة التالية، طبق الباحثون نبضات ليزر لفترات زمنية قصيرة للغاية على المادة وحددوا بدقة كبيرة الطاقات التي تم الحصول عليها في الجزيء الجديد. "في نظامنا الطيفي، يمكننا تشغيل الليزر بالضبط عندما يمر أنيون OCCO المتوقع عبر نقطة محددة."

في الخطوة التالية، بعد غربلة الجزيئات التي يحتاجونها، تمكن الباحثون من إزالة الإلكترونات الزائدة من الأيون المستقر لمادة الإيثيلينديون. وفي الخطوة التالية، حصلوا على صور إلكترونية ضوئية للحالات الكمومية للمادة في بداية تكوينها، عندما كان عمرها نصف نانو ثانية فقط. في ضوء حقيقة أن مادة الجليوكسال، المادة الأولية، لها دور مهم في كيمياء الغلاف الجوي، يتوقع الباحثون أن تكوين OCCO قد يلعب أيضًا دورًا مهمًا، وهو اكتشاف يمكن أن يحسن النماذج المناخية المستقبلية. "في ضوء حقيقة أن مادة الجليوكسال، المادة الأولية، معروفة بأنها ملوثة ومنتج ثانوي في عمليات الاحتراق، سواء من صنع الإنسان أم لا، وأن شكل OCCO يمكن إنتاجه في المختبر باستخدام طريقتنا، ومن المحتمل أنها تكونت أيضاً في عمليات الاحتراق هذه، وربما تكون مادة لم نبدي بعد رأينا العلمي حول دورها في الغلاف الجوي، الأمر الذي يتعارض مع الحصول على نماذج مناخية دقيقة». ويقول الباحث الرئيسي: "إن إحدى أهم النتائج التي توصلنا إليها في بحثنا هي نهاية الجدل القديم الدائر حول مسألة وجود هذا الجزيء". "كان التنبؤ النظري صحيحًا - إن OCCO ثنائي الراديكالية موجود بالفعل. وأخيرا، تمكنا من العثور عليه وتوصيفه."

• ملخص المقال
• أخبار الدراسة