พันธะไฮโดรเจนเป็นพันธะที่เล็ก มีขนาดไม่กี่อังสตรอม และสามารถถ่ายไปมาระหว่าง 2 โมเลกุลได้รวดเร็ว ด้วยความเร็ว สิบครั้งต่อวินาที แต่ในเวลานี้เราสามารถเฝ้ามองดูการเปลี่ยนถ่ายพันธะไฮโดรเจนได้ในเวลาจริง

งานวิจัยชิ้นนี้ลง Physical Review Letters ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเกียวโต และ มหาวิทยาลัยโอซาก้า ในประเทศญี่ปุ่น ได้ใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนเฝ้าดูการเปลี่ยนของพันธะไฮโดรเจนของโมเลกุลน้ำ 2 โมเลกุล ที่ทำพันธะไฮโดรเจนกันอยู่ การวิจัยครั้งนี้ได้ทำให้การสนับสนุนโมเดลของอุโมงค์ควอนตัมและการสั่นของโมเลกุลมซึ่งมีมีความสำคัญในกระบวนการแลกเปลี่ยนพันธะไฮโดรเจนมีน้ำหนักขึ้น

เนื่องจากน้ำ 2 โมเลกุลเป็นระบบที่ง่ายที่สุดที่ประกอบด้วยพันธะไฮโดรเจน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่จะใช้ในการศึกษาระบบพันธะไฮโดรเจน ในการทดลองนักวิทยาศาสตร์จะเตรียมน้ำ 2 โมเลกุลจากโมเลกุลน้ำ 1 โมเลกุล บนผิวของคอปเปอร์ซัลเฟต ที่มีอุฌหภูมิ 6 องศาเคลวิน โมเลกุลของน้ำจะทำพันธะกับผิวของคอปเปอร์ซัลเฟตโดยโมเลกุลออกซิเจนจะทำตัวเป็นผู้ให้พันธะไฮโดรเจน ซึ่ง อะตอมของคอปเปอร์ (ทองแดง) จะเป็นตัวรับพันธะไฮโดรเจนและทำพันธะไฮโดรเจนอย่างอ่อนต่อไฮโดรเจนที่รับมา ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ยังได้ลองเปลี่ยนโมเลกุลของน้ำเป็นดิวเทเรียม ซึ่งเป็นน้ำโมเลกุลหนักลงไป

เมื่อเปลี่ยนดิวเทเรียมลงไปพบว่าไม่มีการเปลี่ยนแปลงใด เมื่อเทียบกับโมเลกุลของน้ำปกติที่แลกเปลี่ยนพันธะไฮโดรเจนไปมาระหว่าง 2 โมเลกุล จำนวน 60 ครั้งต่อวินาที ซึ่งดิวเทเรียมกลับมีอัตราดังกล่าวประมาณ 1 ครั้งต่อวินาที ซึ่งนักวิทยาศาสตร์เรียกผลความแตกต่างนี้ว่า ผลของไฮโซโทป ซึ่งหมายความว่า อิเล็กตรอนที่จะทำการถ่ายจะต้องเจอกลับกำแพงพลังงานที่สูงขึ้นที่จะข้ามระดับพลังงานในวงโคจรของอิเล็กตรอนได้ ซึ่งมีระดับพลังงานหนึ่งจะมีความกว้างช่วงพลังงานมากจนผ่านไม่ได้ อะตอมของออกซิเจนจะทำการให้และรับอิเล็กตรอนโดยทำให้โมเลกุลตัวให้และรับเข้าใกล้ เพื่อให้เกิดอุโมงค์ และการสั่นตัวของโมเลกุลทำให้เกิดการกระตุ้นขึ้นซึ่งทำให้การแลกเปลี่ยนพันธะเกิดขึ้นได้เพิ่มขึ้น

ความรู้นี้สามารถมาประยุกต์ใช้ได้กับเซลล์เชื้อเพลิง ซึ่งต้องทำให้เกิดการแตกตัวของพันธะไฮโดรเจนของน้ำมาเกิดเป็นพันธะไฮโดรเจนระหว่างอะตอมไฮโดรเจนด้วยกัน

ที่มา - Physorg.com

ต้นฉบับ - Physical Review Letters