تفكیك در مولكول‌ها و بروز رفتار عجیب

عقل سلیم می‌گوید كه هرچه محكم‌تر چیزی را تكان بدهید، احتمال از هم پاشیدنش بیشتر می‌شود. اما شیمیدان‌هایی كه به كمك لیزر درباره مولكول‌های دوقلوی همانند تحقیق می‌كنند، متوجه شده‌اند كه اثر ارتعاشات، در سطح مولكولی، ممكن است به این سادگی‌ها نباشد.
پژوهندگان مؤسسه ملی استانداردها (امریكا) به این نتیجه رسیده‌اند كه دوپاره‌ها (دیمرها) یا مولكول‌های دوقلوی NO را هرچه شدیدتر تكان بدهند پیوند ضعیف مولكولی، كه تابع نیروهای وان‌دروالس است، بیشتر دوام می‌آورد و دیرتر می‌گسلد. این نتیجه، هم با برداشت شهودی منافات دارد و هم با نظریه‌های موجود درباره علت و چگونگی تفكیك مولكول‌ها. در شرایط زمینی، مولكول‌ها با آهنگی سرسام آور به این سو و آن سو می‌دوند و بالا و پایین می‌جهند. اتم‌های تشكیل دهنده هر مولكول در هر ثانیه یك تریلیون (1012) بار حول پیوندشان می‌چرخند. با هر تیك ساعت، پیوندهای مولكولی در حدود 10 تریلیون بار خم و راست می‌شوند و پیچ و تاب می‌خورند. آهنگ ارتعاش اتم‌ها حتی از این هم تندتر است. در همین حال، كل مولكول هم همراه مولكول‌های مجاور شلنگ تخته می‌اندازند؛ مسئله تبادل انرژی در این وضعیت بسیار پیچیده است. پیچش به خمش، خمش به ارتعاش، ارتعاش به چرخش یا نوع دیگری از حركت تبدیل می‌شود. در مواردی كه این انرژی داخلی خیلی زیاد باشد – مثلاً وقتی جسم جامد ذوب یا جسم مایع، بخار می‌شود – مولكول‌ها به اجزای كوچك‌تر می‌شكنند.
هنگامی كه یك مولكول به اجزای سازنده خود تجزیه می‌شود یا از مولكول دیگری، كه بدان مقید بود جدا می‌شود، تقسیم مجدد انرژی‌های داخلی میان اجزا چگونه صورت می‌گیرد؟ نظریه‌هایی وجود دارند كه مشاهدات مربوط به تفكیك مولكول‌ها را به خوبی توضیح می‌دهند، اما این نظریه‌ها بر فرض‌هایی استوارند كه توجیهی ندارند.
در پژوهشی كه زیر نظر مایكل كاساسا و با استفاده از تپ‌های بسیار سریع لیزر انجام گرفته است، نحوه تفكیك دو مولكول همانند NO، كه پیوند ضعیفی با یكدیگر دارند، بررسی شده است. انتخاب دوپاره‌های نسبتاً ساده NO به این مناسبت بوده است كه هر پاره از یك اتم اكسیژن و یك اتم نیتروژن تشكیل می‌شود، و دو مولكول همانند NO از طریق نیروهای وان‌دروالس به هم می‌چسبند و یك مولكول ذوزنقه شكل را به وجود می‌آورند. تنوع حركت‌ها در این دو پاره چهار اتمی، در مقایسه با مولكول‌های پیچیده‌تر، محدودتر است. با وجود این حركت دوپاره‌های NO، حتی در دمای اتاق، بسیار پیچیده است. برای اینكه حركت‌ها تا سرحد امكان ساده شوند، كاساسا و همكارانش از جت مولكولی ویژه‌ای استفاده كردند كه مولكول‌ها را تا نزدیك صفر مطلق، یعنی جایی كه تمام حركات داخلی متوقف می‌شود. سرد می‌كرد. آن‌گاه، با استفاده از تپ‌های لیزری 12-10 ثانیه‌ای، مقادیر انرژی كاملاً مشخصی به دوپاره‌های NO تزریق می‌شد. بدین گونه، گروه كاساسا توانست حركت مولكولی ساده‌ای را برانگیزد و مولكول‌ها را در یكی از دو مد زیر به ارتعاش درآورد: ارتعاشات متقارن كه در آن نوسانات جلو و عقب هر دو زوج اكسیژن – نیتروژن همزمان صورت می‌گیرد و ارتعاشات نامتقارن كه در آن با نزدیك شدن اتم‌های یك مولكول به هم، اتم‌های مولكول دیگر از هم دور می‌شوند.
پژوهشگران پس از آنكه دوپاره‌ها را در یكی از دو مد ارتعاش، به ارتعاش درآوردند، برای مشاهده ارتعاش‌ها، از لیزر بسیار سریع دیگری استفاده كردند كه عملاً می‌توانست در لحظات مختلف از رقص مولكول‌ها عكس برداری كند. مشاهده شد كه زمان لازم برای تفكیك زوج‌های NO، وقتی در مد ارتعاشی نامتقارن كه انرژی بیشتری دارد قرار می‌گیرند، 40 برابر زمان تفكیك آن‌ها در مد ارتعاشی متقارن است كه با انرژی كمتری صورت می‌گیرد.
شم و شهود حاكی از آن است كه، ارتعاش‌های پر انرژی‌تر باید دوپاره‌های سست پیوند را زودتر از هم جدا كنند تا ارتعاش‌های كم انرژی‌تر. نظریه‌های موجود در واقع این برداشت شهودی از تفكیك مولكول‌ها را صورت‌بندی می‌كنند. اما آزمایش‌های كاساسا، هم با شهود در تضاد است و هم با نظریه. كاساسا توضیحی ارائه می‌كند كه هنوز به بوته آزمایش نهاده نشده است. او می‌گوید كه شاید بخشی از انرژی ارتعاش‌های نامتقارن، به طریقی كه برای ارتعاش‌های كم انرژی‌تر نامیسر است، به حركت الكترون‌ها منتقل می‌شود – در حالی كه ارتعاش های متقارن، انرژی‌شان را آسان‌تر صرف تفكیك دوپاره‌ها می‌كنند. از این رو، زمان تفكیك ارتعاش‌های پر انرژی‌تر طولانی‌تر خواهد بود.
توضیح رفتار مولكولی عجیبی كه كاساسا و همكارانش مشاهده كرده‌اند، مایه حیرت پژوهشگران شده است.
گام بعدی این است كه مولكول‌های بیشتری بررسی شوند تا معلوم شود كه آیا رفتار دوپاره‌های NO، نمونه‌ای از یك پدیده عام مولكولی است كه با نیروهای ضعیف وان‌دروالسی به هم پیوسته‌اند یا نه.