Moleküller Neye Benziyor?

Molekül, birbirine bağlı bir grup atomdur. Moleküller, çevrenizdeki neredeyse her şeyi oluşturur - cildiniz, sandalyeniz, hatta yemeğiniz.

Boyutları değişir, ancak son derece küçüktürler. Tek bir molekülü gözünüzle ve hatta bir mikroskopla bile göremezsiniz. Bir saçın genişliğinden 100.000 kat daha küçüktürler.

En küçük molekül birbirine yapışmış iki atomdan oluşurken, büyük bir molekül 100.000 veya daha fazla atomun bir kombinasyonu olabilir. Molekül, soluduğumuz oksijen molekülleri gibi aynı atomun tekrarı olabileceği gibi karbon, oksijen ve hidrojenden oluşan şeker molekülü gibi çeşitli atomlardan da oluşabilir.

Fakat moleküller neye benziyor? Her şey yapı taşları ile başlar: atomlar.

 

Karşıtların çekimi

Atomu oluşturan madde parçacıklarının hepsi aynı değildir. Pozitif yükleri olabilir, negatif yükleri olabilir veya yükleri olmayabilir. Bilim insanları onlara proton, elektron ve nötron diyor.

Altın atomunun, 79 proton ve 118 nötrondan oluşan yoğun bir merkezi ile çevresinde daha yayılmış 79 elektronlu bir bulutu vardır.

 

Yüksüz nötronlar ve pozitif yüklü protonlar atomun ağır merkezini oluşturur. Negatif yüklü elektronlar bu küçük merkezi çevreler.

Atomlar potansiyel olarak birleşip moleküller oluşturmak için birbirlerine yaklaştıkça, bir atomdaki negatif elektronlar diğerindeki pozitif protonlara çekilir. Her iki atom da kendilerini buna göre ayarlar.

Bir atom yalnız olduğunda, merkezini çevreleyen negatif elektronlar simetriktir. İki atom yaklaştıkça, bir atomun negatif elektronları diğer atomun pozitif merkezine doğru hareket eder.

 

Bunu, bir sınıfta yer seçmeye çalışmaya benzetebilirsiniz. Bazı kurallar var. Örneğin sınıfta durmanız gerekiyor ve birinin üstüne oturamazsınız. Bu kurallara uyarak, arkadaşlarınızın yanında ve düşmanlarınızdan uzakta oturmayı deneyebilirsiniz. Sınıftaki herkesin mutlu olması için mükemmel pozisyonu bulmak, bir moleküldeki atomlar için mükemmel pozisyonu bulmaya benzer. Bazen atomlar mutlu bir diziliş bulamazlar ve molekül oluşmaz.

 

Görünmeyeni görmek

Moleküller gözle veya güçlü bir mikroskopla görülemeyecek kadar küçükse, bilim insanları onları nasıl görüyor? Cevap, bunun için özel araçlar geliştirdiler.

Bir araç, doktorların vücuttaki kemikleri görmek için kullanmasıyla bilinen X-ışınlarını kullanır. X ışınları, ultraviyole veya kızılötesi ışık gibi insan gözünün göremediği bir ışık türüdür.

Bilim insanları moleküllere X-ışınları fırlattıklarında, bazıları yansır. Bilim insanları, bu geri dönen X-ışınlarını kaydedebilir ve tek moleküllerin neye benzediğini anlamak için desenlerini kullanabilir.

Bir protein molekülündeki atomlardan yansıyan X ışınları, yukarıdaki görüntüdeki siyah noktaları oluşturur. Bu noktaların konumu, bilim insanlarına atomların molekülde nasıl düzenlendiğini söyler.

 

1912'de, bu şekilde görülen ilk moleküllerden biri tuzdu (NaCl).

Bilim insanları, molekülleri görmek için başka yöntemler de icat ettiler. İki atom birbirine yaklaştıkça elektronların davranışlarını değiştirmesine benzer şekilde, atomun merkezi de davranışını değiştirebilir. Nükleer manyetik rezonans adı verilen bir teknik, atomun merkezindeki bu değişiklikleri algılar ve hangi atomların yakında olduğunu belirlemek için bunları ipucu olarak kullanır.

Bir atomik kuvvet mikroskobu, üzerinde yürüdüğünüzde ve zıpladığınızda sallanan, dayanıksız bir dalış tahtası gibi çalışır. Ancak bu atlama tahtası son derece küçüktür, o kadar küçüktür ki, ucundaki bir negatif yük onu bir atomun pozitif merkezine doğru bükecektir. Bu atlama tahtasını hareket ettirmek ve nasıl büküldüğünü izlemek, bir moleküldeki atomların konumunu gösterebilir.

https://www.youtube.com/watch?v=8gCf1sEn0UU&t=1s

 

Bilim insanlarının molekülleri görmek için geliştirdiği bir diğer teknik, kriyo-elektron mikroskobu olarak adlandırılır. İlk olarak, bilim insanları molekülleri kar veya buzdan çok daha soğuk bir sıcaklığa dondururlar. Sonra moleküle elektronlar fırlatırlar ve içinden geçenleri bir görüntü oluşturmak için toplarlar. Bu teknik, 2017 yılında Nobel Kimya Ödülü'nü kazandı.

 

Tüm şekiller ve boyutlar

Peki moleküller neye benziyor? Bunlar, merkezi maddenin çoğunu içeren, geri kalanı büyük ölçüde boş alan olan bir atom grubudur. Her atomun mutlu olduğu belirli bir pozisyonu vardır, tıpkı o sınıftaki öğrenciler gibi.

Soldaki benzen ve sağdaki fulleren moleküllerini oluşturan atomların diyagramları.

 

Her molekül farklıdır – bazıları gerçekten farklıdır. Örneğin benzen gözleme gibi yassıdır, fulleren ise top gibi yuvarlaktır. Penguinone, bir penguen gibi çizilebilirken, diğer moleküller tamamen rastgele görünüyor. Ancak bir moleküldeki atomların konumları asla rastgele değildir.

Bilim insanları birçok molekülün neye benzediğini biliyor olsa da, hala anlamaya çalıştığımız bazı moleküller var. Bu cevapları bilmek, yeni malzemelerin ve ilaçların icat edilmesine yol açabilir.

Christine Helms, Fizik Doçenti, Richmond Üniversitesi

Bu içerik, The Conversation'da yayınlanmıştır.