Kontrako poloek, elkar erakarri?

"Kontrako poloek elkarri erakartzen diote". Zenbat aldiz entzun duzue esaldi hau? Izaera oso desberdina duten bi pertsona bikotekideak zergatik diren azaltzeko erabiltzen da askotan: "Oso desberdinak dira, ez dut ulertzen nolatan elkarrekin dauden. Klaro, kontrako poloek elkarri erakartzen diote". Ez naiz ni hasiko honen inguruko balorazioak egiten. Hala ere, etzait erreza egiten horrelako sinplifikazioak ulertzea. Dena den, niri gaurkoan interesatzen zaidana esamolde honen jatorri fisiko-kimikoa da, eta horri eginen diogu so gaurkoan. Aurrerapen gisa: gauzak ez dira beti uste dugun moduan.

Fisikan, aspaldi ezagutzen den fenomenoa da hau, magnetismoan eta elektrizitatean. Magnetismoan, bi iman gerturatzen ditugunean, bi gauza gertatzen ahal dira: alde batetik, polo berdinak dituzten zatiak gerturatzean, imanak aldenduko dira, eta aurkako poloetatik gerturatzean, elkarri erakarri eta elkartuko dira. Ondorengo bideoan ikus dezakezue hau:

Antzera, karga positiboa eta negatiboa duten bi partikula gerturatzean, elkarri erakartzen diote. Aldiz,  bi kargak positiboak ala negatiboak badira, erakarri baino aldarapen indarra altxatzen dute eta elkarrekiko urrundu egiten dira. Baina, hau beti horrela da? Gaurkoan, ezetz ikusiko dugu. Mundu mikroskopikoan, atomo eta molekulen munduan, hau horrela ez dela beti ikusiko dugu.

Has gaitezen adibide sinple batekin. Har dezagun oxigeno atomoaren bi katioi, bi O⁺, elkarrengandik urruti, gas fasean. Gas fasean egoteak zer esan nahi du? Beraien inguruan, gertu, beste katioirik, molekularik, atomorik, ez dela egonen. Beraz, bi O⁺ katioiak ditugu, besterik ez. Biak gerturatzean, sistemaren energia handituko da (gogoan izan materiak energia minimoko egoeran egotea "nahi" duela). Bi katioien arteko distantzia txikitzean, energia gorantz egiten du. Beti gorantz eginen balu, espero duguna konfirmatuko litzateke, energia minimoa katioiak oso banatuta daudenean izanen litzatekelako. Beste hitzetan esanda, bi O⁺ elkarrengandik urrun leudeke, aldarapen indarra dela medio. Beheko ezkerreko irudian ikusten dugun moduan, hau ez da gertatzen!!!! (Metodo kuantiko desberdinekin kalkulatuta, ez egin kasu handirik izenei).

Energia ez da beti gorantz joaten, eta putzu baten modukoa ikusten da. Zer gertatzen da? Bi O⁺ katioien kasuan, egonkorrena biak banatuta egotea da (horregatik distantzia handitan energia baxuena da), baina distantzia jakin batean, bi katioiak putzu batean harrapatuta daude. Lotura kobalentea ematen da bien artean, O₂⁺² dikatioia meta-egonkorra izanik. Metaegonkorra, putzuaren minimoa disoziazioaren energia baino gorago dagoelako. Hortaz, ikus dezakegunez, gas fasean bi katioiren artean aldarapena ez da beti nagusitzen. Zergatik? Dikatioiaren egitura elektroniko bereziagatik. Goiko eskuineko irudian bi O⁺ katioiak gerturatzean sortzen diren balentziazko orbital molekularrak ikus daitezke. Detailetan sartu gabe, beheko hiruak orbital lotzaileak dira, eta goiko hiruak antilotzaileak. O₂⁺² ren kasuan, elektroiek orbital lotzaileak bakarrik okupatzen dira, eta honen ondorioz, molekula metaegonkorra da. Dikatioian parte hartzen duten atomoen arabera, metaegonkortasuna desberdina izanen da, okupatutako orbitalak desberdinak izanen direlako, baina hau beste baterako utziko dugu.

Bi katioiak ur disoluzioan badaude, zailagoa dirudi aldeko elkarrekintza izatea. Ur molekulez inguratuak egonen lirateke, ur molekulen oxigenoak eta hidrogenoak partzialki negatiboki eta positiboki kargatuta daude, eta horrela, molekula hauen oxigenoarekin elkarrekintza sendoagoa izanen lukete (positibo-negatibo) beraien artean baino.

Duela gutxi, Californiako Unibertsitateko eta Lawerence Berkeley National Laboratory-ko ikertzaile batzuk Journal of Chemical Physics aldizkarian argitaratutako artikulu batean (1), lehendabizikoz, uretan ere katioi-katioi aldeko elkarrekintzen ebidentzia esperimentalak aurkitu dituzte. Konkretuki, guanidinio (C(NH₂)₃)⁺ izeneko bi katioiez osatutako bikoteak aurkitu dituzte, aurretik Kimika Kuantikoa erabilita egin ziren aurresanak konfirmatuz. Beheko irudian, guanidinio katioia aurkezten dizuet.

Lan honetan, ikertzaileek X izpien bidezko teknika esperimentala erabili zuten, guanidinio kloruro gatzaren kontzentrazio desberdineko disoluzioetan. Era berean, esperimentuak simulatzen zituzten kalkulu kuantikoak burutu zituzten, bi kasuetan antzeko emaitzak lortuz. Modu honetan, emaitza teorikoak esperimentalak interpretatzeko erabili zituzten. Emaitzak ikusita, guanidinio katioi bikoteak sortzen zirela ikusi zuten, gatzaren kontzentrazio altuko disoluzioetan. Bikote hauek guanidinio katioiaren egitura elektroniko bereziagatik sortzen dira, konkretuki, katioi osoan delokalizatuta dauden π orbitalei esker.

Guanidinio gatza hauek proteinen desnaturalizazioa eragiteko erabiltzen dira. Aurretik egindako lanek desnaturalizazioa gatzaren kontzentrazio handitan gertatzen zela ikusi zuten. Horrela, lan honen egileek ondorioztatu zuten guanidinio katioiaren bikote hauek desnaturalizazioaren eragileak direla. Honetaz gain, autoreen esanetan, katioi-katioi bikoteak beste elkarrekintza biologikoen eragileak izan zitezkela, nukleotido/nukleosido eta proteinen artekoaren kasu.

Laburbilduz, katioien arteko elkarrekintza guztiak EZ dira errepultsiboak, katioien osagaien izaera kuantikoa dela eta. Kalkulu kuantikoek esperimentalki behatzen diren fenomenoei azalpena emateko baliogarriak dira, eta, batzuetan, esperimentalki behatu ez diren fenomenoak aurresateko balio dute.

Erreferentziak

[1] O. Shih, A. H. England, G. C. Dallinger, J. W. Smith, K. C. Duffey, R. C. Cohen, D. Prendergast, eta R. J. Saykally, The Journal of Chemical Physics 139, 035104 (2013).