Hidrojen bağlanmasına ilişkin ilk görüntü

Moleküler yapılara derinlemesine bakmak kimyagerlerin çokça yaptığı bir eylem. Teknoloji bu dünyayı kimyagerlerin görme biçimini artırabiliyor ve kimyaya yepyeni bir bakış açısı kazandırıyor. Bu adımlardan birinde, Çin'deki araştırmacılar atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) yöntemi ile bir hidrojen bağının ilk kez görüntülendiğini bildirmiş.

Mayıs ayında, Felix Fischer ve Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'ndeki arkadaşları AFM ile kimyasal değişimin öncesinde ve sonrasında molekülleri görüntüledi. Net bir şekilde görünen resimler bir halkalaşma tepkimesinde kovalent bağların oluşumunu gösterdi.

Molekülleri görüntülemek için en son çalışmalardan birinde, Xiaohui Qui ve Nanobilim ve Teknoloji Ulusal Merkezi (Çin) çalışanı olan arkadaşları bir adım daha ileri gitmiş durumda. Onlar da Fischer gibi temassız AFM kullanmış ve kovalent bağları aramaktan çok daha zayıf etkileşimleri incelemek üzere özelleştirmiş.

AFM iki farklı şekilde yürütülebiliyor. Temas kipinde (contact mode), silisyum veya silisyum nitrürden imal edilmiş AFM ucu (tip) bir yüzeyi tarıyor. Yüzeyin itici kuvvetiyle ucun geri çekilmesi elektrik sinyali üzerinden bir yüzey görüntüsü veriyor. Temassız kipte (non-contact mode) ise uç kısmı içeren dirsekli kol (orijinal literatürde cantilever denmektedir), görüntülenecek yüzeyin hemen üzerinde titreşim frekansı yapacak bir uzaklıkta bulunur. Yüzeyde bulunan zayıf van der Waals kuvvetleri dirsekli kolun titreşim frekansını düşürür. Bu frekans değişimi atom ölçeğinde görüntü verir.

Hidrojen bağları tabiattaki en önemli moleküllerde esaslı bir yer alır. Bunlar DNA'nın çifte sarmalını bir arada tutmak ve pek çok enzimin kataliz tepkimesini gerçekleştirmesi gibi hayati konulardan sorumludur. Bu moleküller arası bağlar, son derece elektronegatif bir hidrojen atomunun başka bir negatif yüklü atomla etkileştiği zaman ortaya çıkar.

Tabiatta çokça bulunmasına karşın Qui “bir hidrojen bağının doğasının hâlâ tartışmalı” olduğunu söylüyor. Uzun zamandır bir elektrostatik etkileşim olarak düşünülen hidrojen bağları, x-ışını saçılma deneylerinden de anlaşıldığı üzere kimyasal bağ karakteri de taşıyor olabilir.

Bağları görmek

Qui, çalışması için düz bir yapıya sahip olan 8-hidroksikinolin (8hq) molekülünü seçmiş, çünkü bir hidrojen bağı yapının düzlemi dışında bir eksen seçiyor ve görünürlük bu nedenle oldukça artıyor. Yine de, hidrojen bağından gelen görüntünün gözler tarafından yakalanabilecek kadar kuvvetli olup olmadığı konusunda Qui kararsız imiş. “AFM gözlemleri ile 8hq molekülleri arasında oluşan hidrojen bağlarını göremedik, çünkü bu zayıf bağların civarında elektron yoğunluğu çok düşüktü” diyor.

Pek çok yıl boyunca, taramalı tünelleme mikroskobu (STM) daha eski bir görüntüleme yöntemi olarak kullanılmıştır. 2011'de STM ile yoğunluk fonksiyonel modeli (DFT) birleştirilmiş ve düşük çözünürlükle olmasına rağmen, altın yüzeyinde adsorplanmış metanol molekülleri arasında hidrojen bağlarıyla oluşan altılı yapı görüntülenebilmiştir. 2009 yılında ise, Leo Gross (IBM) AFM ucuna bir karbon monoksit molekülü bağlayarak ciddi ölçüde çözünürlüğü artırdığı öncü bir çalışma yapmıştır. Bu teknik yeni çalışmada kullanılmış ve Gross, bu çalışmadan etkilendiğini şöyle belirtiyor: “Bu yeni ufuklar açacak bir çalışma”.

Sonuçlar yalnızca AFM ile hidrojen bağlarının tabiatını görmek üzere kullanılabileceğini doğrulamış oluyor. Bunlar yine de bağın tabiatı üzerine daha ileri tartışmaya girmek için yeterli değil. Qui, şöyle diyor: “Hidrojen bağlarının doğrudan gözlenmesi lisede öğrendiğimiz kavramla birebir örtüşüyor.: bir elektropozitif hidrojen atomu X ve Y gibi iki elektronegatif tür arasında köprüleme yapıyor ve sonuçta X-H…Y yapısı oluşuyor”. Gross, şu eklemeyi yapıyor: “Şimdiki sorunumuz hidrojen bağlarının konumlarında bu yapıyı oluşturan şeyin ne olduğunu derinlemesine anlamak”.

Molekülleri incelemek için her gün kimyagerler NMR ve kütle spektrometrisini kullanıyor, bunun gibi Qui bir gün AFM'in de rutin bir analiz yöntemi olacağını umuyor. Gross bu konuda daha karamsar, çünkü örnek hazırlama yönteminin karmaşık olduğunu ve eğitimli personelin çalışmasına duyulan ihtiyacın bu yönteme duyulan ilgiyi azaltacağını söylüyor. Bu sınırlamalar aşılırsa, çok sayıda kimyagerin her gün değiştirdikleri molekülleri görme fırsatını kaçırmayacağı açıkça ortada.

Kaynaklar

J Zhang et alScience, 2013. DOI: 10.1126/science.1242603

http://www.rsc.org/chemistryworld/2013/09/first-pictures-hydrogen-bonds-unveiled-afm

Kategoriler

+ Yorum bulunmuyor

Yorum yap