في اكتشاف علمي قد يغير أحد المفاهيم الأساسية التي استقرت في كتب الكيمياء لعقود، توصل علماء إلى أدلة تجريبية مباشرة تثبت أن نظرية النسبية لألبرت أينشتاين تؤثر في الطريقة التي ترتبط بها الذرات ببعضها، وتغير البنية التقليدية للروابط الكيميائية الثلاثية عندما يتعلق الأمر بالعناصر الثقيلة.
وكشف باحثون في جامعة براون الأمريكية أن التأثيرات النسبية، التي تصبح أكثر وضوحاً في الذرات ذات النوى شديدة الثقل، يمكن أن تعيد تشكيل الروابط بين الذرات على نحو يختلف عن النموذج التقليدي الذي يتعلمه الطلاب في المدارس والجامعات.
ونُشرت نتائج الدراسة في دورية "ساينس" (Science)، مستندة إلى تجارب على جزيئات تجمع بين الكربون والبزموت، وهو عنصر ثقيل تتأثر إلكتروناته بقوة بالظواهر المرتبطة بنظرية النسبية.
وقال لاي شينغ وانغ، أستاذ الكيمياء في جامعة براون والمؤلف المسؤول عن الدراسة، إن أهمية النسبية في تفسير سلوك العناصر الثقيلة معروفة علمياً منذ سبعينيات القرن الماضي، لكن الدراسة الجديدة تقدم دليلاً طيفياً تجريبياً مباشراً على أن القواعد التقليدية التي تعلمناها عن الروابط الكيميائية لا تنطبق بالضرورة على هذه العناصر.
ذرات الالكترونات
تتشكل الروابط الكيميائية عندما تتشارك الذرات الإلكترونات، بما يؤدي إلى نشوء قوة تجاذب تربط النوى الموجبة بعضها ببعض، وتمنح الجزيئات استقرارها.
ووفقاً للنموذج الكيميائي التقليدي، تتكون الرابطة الثلاثية من ثلاثة أزواج من الإلكترونات المشتركة، موزعة على رابطة سيغما واحدة ورابطتي باي. وتنشأ رابطة سيغما نتيجة التداخل المباشر للمدارات الإلكترونية على المحور الواصل بين نواتي الذرتين، بينما تتوزع إلكترونات رابطتي باي على جانبي هذا المحور.
ويفسر هذا النموذج بصورة جيدة الروابط التي تتكون بين كثير من العناصر الخفيفة، إلا أن الصورة تصبح أكثر تعقيداً عندما تدخل العناصر الثقيلة في التفاعل.
فمع ازدياد الشحنة الموجبة لنواة الذرة، تزداد سرعة بعض الإلكترونات إلى مستويات تصبح عندها التأثيرات النسبية مهمة، ما يؤدي إلى تغير خصائصها وحركتها، ويعزز ظاهرة علمية تعرف باسم «الاقتران بين اللف المغزلي والحركة المدارية» (Spin-Orbit Coupling).
وتربط هذه الظاهرة بين اللف المغزلي للإلكترون وحركته في المدار الذري، الأمر الذي يؤثر في كيفية مشاركة الإلكترونات في تكوين الروابط الكيميائية.
ويوضح وانغ أن الحدود الفاصلة بين روابط سيغما وباي تصبح أقل وضوحاً في هذه الحالة، إذ تظل هناك ثلاثة ارتباطات إلكترونية، لكن لم يعد من الممكن تصنيفها بدقة وفق التقسيم التقليدي إلى رابطة سيغما واحدة ورابطتي باي.
الصفر المطلق
للوصول إلى هذه النتيجة، نجح الباحثون في تحضير جزيئات تحتوي على الكربون والبزموت، ثم أخضعوها لدرجات حرارة تقترب من الصفر المطلق، بهدف الحد من الحركة الحرارية للجزيئات وإتاحة دراستها بدقة عالية.
واستخدم الفريق تقنية التحليل الطيفي للإلكترونات الضوئية (Photoelectron Spectroscopy)، التي تعتمد على تسليط الضوء على الجزيئات لتحرير إلكترونات منها، ثم قياس طاقتها، بما يسمح بتحديد مدى ارتباطها بالذرات والكشف عن طبيعة الروابط الكيميائية.
وأظهرت النتائج أن الرابطة الثلاثية بين الكربون والبزموت لا تتبع الترتيب المعروف في الكيمياء التقليدية، المتمثل في رابطة سيغما واحدة ورابطتي باي، بل تتخذ بنية مختلفة تتكون من رابطة باي واحدة ورابطتي سيغما-باي هجينتين.
وتقدم هذه النتائج دليلاً تجريبياً على أن الاقتران بين اللف المغزلي والحركة المدارية، الناتج عن التأثيرات النسبية، قادر على تغيير طبيعة الروابط الكيميائية في العناصر الثقيلة بصورة جوهرية، وهو ما سبق أن أشارت إليه توقعات ونماذج نظرية، لكنه لم يكن مدعوماً بهذا النوع من الأدلة التجريبية المباشرة.
مفاهيم أساسية
ولا تقتصر أهمية هذا الاكتشاف على إعادة النظر في المفاهيم الأساسية للكيمياء، بل تمتد إلى تطوير مواد متقدمة يمكن أن تدخل في تطبيقات تكنولوجية مستقبلية.
ويحظى عنصر البزموت باهتمام متزايد من الباحثين باعتباره أحد الخيارات المحتملة لتطوير خلايا شمسية من الجيل الجديد، بوصفه بديلاً للرصاص الأكثر سمية في بعض التطبيقات، كما يجري استكشاف خصائصه في مجال المواد الكمومية والأبحاث المرتبطة بالحوسبة الكمومية.
ومن شأن فهم الطريقة التي تؤثر بها الظواهر النسبية في الروابط الكيميائية للبزموت والعناصر الثقيلة الأخرى أن يساعد العلماء على بناء نماذج أكثر دقة لسلوك هذه المواد، وتوقع خصائص مركباتها، بما قد يفتح المجال أمام تصميم مواد جديدة بخصائص غير مألوفة.
تحديث
ويرى الباحثون أن النتائج قد تمهد أيضاً لتحديث الطريقة التي تُدرّس بها الروابط الكيميائية، خصوصاً مع تزايد الاهتمام بالعناصر الثقيلة واستخداماتها في التكنولوجيا الحديثة.
وقال وانغ إن هذا الاكتشاف قد يصبح جزءاً من المفاهيم الجديدة التي تتضمنها كتب الكيمياء مستقبلاً، في ظل التوسع المتزايد في دراسة كيمياء العناصر الثقيلة.
وهكذا، لا تقدم الدراسة مجرد استثناء لقاعدة كيميائية معروفة، بل تكشف كيف يمكن لنظرية فيزيائية صاغها أينشتاين قبل أكثر من قرن أن تؤثر في فهمنا لتفاصيل دقيقة من عالم الذرات، وتعيد رسم الحدود بين الفيزياء والكيمياء.