Sıvı Suda Elektronlar Nasıl Üretilir ve Yönlendirilir
Fotoğraf-1: (a) Sıvıdaki su moleküllerinin düzeninin anlık görüntüsü (kırmızı: oksijen atomları, gri: hidrojen atomları). Noktalı çizgiler moleküller arasındaki hidrojen bağlarını gösterir. Her su molekülü, çevresinde bir elektrik alanı oluşturan bir elektrik dipol momentine de sahiptir. Moleküler düzenleme femtosaniye zaman alanında dalgalanmaktadır. (b) Sıvının dalgalanan elektrik alanı. Mavi çizgi, zamanın bir fonksiyonu olarak (femtosaniye cinsinden) moleküler yörüngede 3a1’e etki eden anlık elektrik alanını gösterir. En güçlü zirveler, bir elektron e–‘nin yörüngeyi terk edebileceği tünel iyonlaşma sürecini başlatır.
Fotoğraf-2: İki boyutlu terahertz (2D-THz) spektroskopisi. (a) Deneyin şeması. Gecikme süresi t ile ayrılan iki THz darbesi A (uyarma) ve B (sonda), ince bir su jeti (mavi, kalınlık 50 μm) ile etkileşir. İletilen THz alanı, elektrooptik örneklemeden (EOS) yararlanan bir faz çözme dedektörü tarafından kaydedilir. (b) Darbe A (yeşil) ve darbe B’nin (turuncu) zamana bağlı elektrik alanı. A darbesi tarafından uyarıldıktan sonra iletilen B darbesinin elektrik alanı, kesikli çizgi olarak gösterilmektedir. (A ve B t darbeleri arasındaki gecikme süresi = 7000 fs). (c) THz uyarımı olmadan suyun kırılma indisi (düz çizgiler) ve elektronların oluşumundan sonra (semboller, elektron konsantrasyonu 5×10-6 mol/litre). Siyah eğriler, kırılma indisinin gerçek kısmını temsil eder, kırmızı ise su jetinin THz emme gücüyle orantılı olan hayali kısmı. Kırılma indisinin hem gerçek hem de hayali kısmı, elektronların oluşumu ile önemli ölçüde azaltılır.
Şaşırtıcı sonuçlar, sıvı sudaki son derece güçlü elektrik alanlarının yeni bir yönünü ortaya koyuyor.
Su molekülleri, oda sıcaklığında ultra hızlı titreşim hareketlerine maruz kalır ve çevrelerinde son derece güçlü elektrik alanları oluşturur. Yeni deneyler, bu tür alanların varlığında, serbest elektronların harici bir terahertz alanı yardımıyla sıvıda nasıl üretildiğini ve manipüle edildiğini gösteriyor.
Su molekülü H2O, oksijen (O) ve hidrojen (H) atomları üzerindeki farklı elektron yoğunlukları nedeniyle bir elektrik dipol momenti gösterir (Fotoğraf-1-a). Bu tür moleküler çift kutuplar, sıvı suda bir elektrik alanı oluşturur. Bu alanın gücü femtosaniye zaman ölçeğinde dalgalanır (1 femtosaniye =10-15 saniye = saniyenin milyonda birinin milyarda biri) ve kısa süreler için 300 MV / cm’ye (cm başına 300 milyon volt, Fotoğraf-1-b) kadar tepe değerlerine ulaşır. Böylesine yüksek bir alanda, bir elektron bağlı halini, bir moleküler yörüngeyi (Fotoğraf-1-b) terk edebilir ve komşu sıvıya potansiyel bir enerji bariyerinden geçerek tünel açabilir. Bu olay, kuantum mekaniksel iyonlaşma sürecini temsil etmektedir. Dengede, dalgalanan elektrik alanının tercihli bir uzaysal yönü olmadığı ve bu nedenle elektron iyonlaşma bölgesinden uzaklaşmadığı için elektron çok hızlı bir şekilde başlangıç durumuna geri döner. Yüksek verimli yük rekombinasyonu nedeniyle, bağlanmamış (serbest) elektronların sayısı, ortalama olarak su molekülleri sayısının milyarda birinden daha az, son derece küçük kalır.
Berlin’deki Max-Born-Enstitüsünden araştırmacılar, 1 terahertz (1 THz = 1012 Hz, tipik bir cep telefonu frekansından yaklaşık 500 kat daha yüksek) aralığında frekanslara sahip harici bir elektrik alanının, ücretsiz telefonların sayısını artırdığını gösterdi. THz alanının maksimum gücü 2 MV / cm’dir, yani sıvıdaki dalgalanan alanın gücünün % 1’inden daha azdır. Bununla birlikte, THz alanı tercihli bir uzaysal yöne sahiptir (Fotoğraf-2). Bu doğrultuda, dalgalanan alan tarafından üretilen elektronlar hızlandırılır ve bir su molekülünün iyonlaşma potansiyeli olan yaklaşık 11 eV’lik bir kinetik enerjiye ulaşır. Bu taşıma işlemi, iyonizasyon sahasında yük rekombinasyonunu baskılar. Elektronlar, sıvıda farklı bir bölgede lokalize olmadan önce birçok nanometre (1 nm = 10-9 m) mesafe boyunca hareket eder. Son işlem, sıvının emiliminde ve kırılma indisinde güçlü değişikliklere neden olur (Fotoğraf-2-c), bu sayede elektronların dinamik davranışı iki boyutlu THz spektroskopi yöntemi ile takip edilebilir (Fotoğraf-2-a).
Bu şaşırtıcı sonuçlar, sıvı sudaki son derece güçlü elektrik alanlarının yeni bir yönünü, iyonlaşma tünelleşmesinin spontane olaylarının meydana geldiğini ortaya koymaktadır. Bu tür olaylar H2O moleküllerinin OH– ve H3O+ iyonlarına kendi kendine ayrışmasında önemli bir rol oynayabilir. Dahası deneyler, güçlü THz alanlarının yardımıyla sıvılardaki yüklerin üretimi, taşınması ve lokalizasyonu için yeni bir yöntem oluşturuyor. Bu, sıvıların temel elektrik özelliklerinin değiştirilmesine izin vermektedir.
Kaynak: chemeurope.com
