Legăturile de hidrogen dintr-o moleculă au fost observate, în mod direct, pentru prima dată
Pentru prima dată, fizicienii au reușit să detecteze o legătură de hidrogen într-o moleculă. Acest lucru înseamnă că acum oamenii de ştiinţă pot studia cel mai mic și mai abundent element chimic din Univers în mod direct.
Având în vedere că legăturile de hidrogen sunt mult mai slabe decât legăturile chimice, până în prezent nu a fost posibil să le observăm în mod direct.
Acum oamenii de ştiinţă pot să vizualizeze cu claritate legăturile de hidrogen cu ajutorul unui microscop de forţă atomică şi pot măsura tăria acestora.
Hidrogenul reprezintă 75% din toată masa vizibilă din Univers și mai mult de 90% dintre toți atomii. Din acest motiv, hidrogenul este elementul chimic pe care oamenii de știință se străduiesc să-l înțeleagă cât mai bine.
Hidrogenul formează cu ușurință compuși cu aproape toate elementele nemetalice din tabelul periodic al elementelor, iar legăturile sale cu oxigenul și carbonul stau la baza vieţii.
De asemenea, legăturile de hidrogen asigură stabilitatea structurii de elice dublă a ADN-ului. Astfel, perechile de baze ale ADN-ului rămân intacte datorită milioanelor de legături de hidrogen dintre ele.
Oamenii de ştiinţă s-au confruntat cu două provocări majore în studiul legăturilor de hidrogen, datorate în principal faptului că atomul de hidrogen este cel mai mic atom şi că legăturile sale slabe se rup foarte uşor, mai ales atunci când acestea sunt studiate în cadrul unor molecule individuale.
„Atomul de hidrogen, cel mai mic atom și cel mai abundent, este de cea mai mare importanță în fizică și chimie”.
„În pofida numeroaselor metode de studiu, observarea directă a atomilor de hidrogen într-o singură moleculă nu a fost posibilă până în prezent”, au declarat cercetătorii de la Swiss Nanoscience Institute al University of Basel.
Cercetătorii au reuşit să măsoare recent forța și distanța dintre un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen cu ajutorul unor compuși ai hidrogenului, hidrocarburi, care au o structură asemănătoare unei elice.
„Calculele noastre confirmă existenţa unei legături de hidrogen foarte slabă”, se arată în raportul cercetătorilor.
Măsurarea directă a interacţiunii cu un atom de hidrogen deschide perspective pentru identificarea unor molecule tridimensionale, cum ar fi ADN-ul şi polimerii.
Pentru a detecta legătura de hidrogen cercetătorii au selectat mai întâi hidrocarburi având o structură în care doi atomi de hidrogen sunt îndreptaţi întotdeauna în sus. Mai jos se poate vedea o imagine a structurii în formă de elice a unei hidrocarburi în care atomii de hidrogen au culoarea albă.
Structura în formă de elice a unei hidrocarburi. Credit: Shigeki Kawai et. al/Science Advances
Ulterior cercetătorii au studiat această moleculă cu ajutorul unui microscop de forță atomică (AFM), care este un tip special de microscop cu o rezoluție foarte mare, cu ajutorul căruia se pot măsura forțele atomice extrem de slabe.
Pentru aceasta oamenii de ştiinţă au mărit vârful microscopului cu ajutorul unei molecule de monoxid de carbon, ceea ce a făcut ca vârful să fie extrem de sensibil la hidrogen. Atunci când vârful microscopului a fost adus suficient de aproape de atomii de hidrogen s-au format legături de hidrogen care au putut fi studiate în mod direct.
În imaginea de mai jos se poate vedea cum se formează o legătură de hidrogen între cei doi atomi de hidrogen ai unei hidrocarburi, care sunt îndreptaţi în sus, şi vârful microscopului, care conţine molecula de monoxid de carbon.
O legătură de hidrogen se formează între molecula de hidrocarbură (molecula de jos) și vârful microscopului care conţine molecula de monoxid de carbon (molecula de sus) Credit: University of Basel, Department of Physics.
Cercetătorii au comparat rezultatele calculelor cu măsurătorile efectuate şi au constatat că acestea se potrivesc cu precizie.
Oamenii de ştiinţă pot acum măsura legăturile de hidrogen în mod direct, ceea ce înseamnă că vor putea înţelege mai bine unul dintre elementele fundamentale ale Universului.
Cercetarea a fost publicată în Science Advances.
Sursă: Science Alert