ছাতার মতো উল্টে যাওয়া অ্যামোনিয়া অণু
জল ও তরল সিলিকনের অনেক অদ্ভুত বৈশিষ্ট্যের মূলে আছে দিকনির্দিষ্ট বন্ধনের একটি খোলা জালিকা। অন্যদিকে সরল তরলগুলো কেবল ঘনভাবে ঠাসা। তরল অ্যামোনিয়া এই দুইয়ের মাঝামাঝি। প্রতিটি NH₃ অণুর তিনটি হাইড্রোজেন পরমাণু হাইড্রোজেন বন্ধন দিতে পারে, কিন্তু বন্ধন গ্রহণ করার জায়গা আছে মাত্র একটি, তাই এর বন্ধনগুলো বিরল ও ক্ষণস্থায়ী — গবেষণাপত্রে উদ্ধৃত গবেষণা অনুযায়ী, প্রতি অণুতে মোটামুটি একটি গৃহীত বন্ধন, যা প্রায় এক পিকোসেকেন্ডের দশ ভাগের এক ভাগ স্থায়ী হয়।
অ্যামোনিয়ার একটি চমকপ্রদ কৌশলও আছে। অণুটি একটি ছোট পিরামিড, এবং এর নাইট্রোজেন পরমাণু তিনটি হাইড্রোজেনের তল পিছলে অন্য পাশে চলে যেতে পারে, ফলে পিরামিডটি ভেতর-বাইরে উল্টে যায়, ঠিক দমকা হাওয়ায় ছাতার মতো। এই পিরামিডীয় উল্টানো (pyramidal inversion) কোয়ান্টাম প্রভাবের প্রতি সংবেদনশীল: গ্যাসীয় অবস্থায় অণুটি টানেলিংয়ের মাধ্যমে উল্টায়। সিউল ন্যাশনাল ইউনিভার্সিটি ও আজু ইউনিভার্সিটির মিনউ কিম, জি উং ইউ, ওন বো লি এবং তাঁদের সহকর্মীরা প্রশ্ন তুলেছেন: তরলের মধ্যে এই উল্টানো কি অণুগুলো কত দ্রুত এদিক-ওদিক ঘুরে বেড়ায় — এমন সাধারণ একটি বিষয়কে প্রভাবিত করতে পারে?
বেশিরভাগ মডেল উল্টাতেই পারে না
প্রথম বাধা ছিল মডেল। পরীক্ষিত পাঁচটি প্রচলিত বলক্ষেত্রের মধ্যে চারটিতে কোনো উল্টানোই ঘটেনি: দুটি অণুকে অনমনীয় হিসেবে ধরে, আর দুটি এর কোণগুলোকে এমন স্প্রিং দিয়ে আটকে রাখে যা উল্টানোর জন্য প্রয়োজনীয় ১২০ ডিগ্রির সমতল আকারে কখনো পৌঁছাতে দেয় না। তাই দলটি একটি মেশিন লার্নিং-ভিত্তিক বলক্ষেত্র (machine-learned force field) ব্যবহার করেছে, যা আগের একটি কাজে কোয়ান্টাম রসায়নের গণনা দিয়ে প্রশিক্ষিত হয়েছিল। এটি তরলের গঠন, ঘনত্ব, সান্দ্রতা ও ব্যাপন সেরা প্রচলিত মডেলগুলোর মতোই ভালোভাবে পুনরুৎপাদন করেছে — আবার স্বতঃস্ফূর্ত উল্টানোর সুযোগও রেখেছে।
নিউক্লিয়াসের কোয়ান্টাম প্রকৃতি অন্তর্ভুক্ত করতে তাঁরা রিং-পলিমার আণবিক গতিবিদ্যা (ring-polymer molecular dynamics) ব্যবহার করেছেন: প্রতিটি নিউক্লিয়াসকে স্প্রিং দিয়ে যুক্ত ৩২টি প্রতিলিপি দিয়ে উপস্থাপন করা হয়, যা তার কোয়ান্টাম পরিসংখ্যান পুনরুৎপাদন করে। ক্লাসিক্যাল ও কোয়ান্টাম সিমুলেশন হুবহু একই শক্তি-ভূদৃশ্য ব্যবহার করেছে, ৫১২টি অণুর জন্য, ১৭০ থেকে ২৫০ কেলভিনের মধ্যে — এই পরিসর গলনাঙ্কের নিচে অতিশীতল (supercooled) তরলের ভেতরেও পৌঁছায়।
যে উল্টানো আশপাশকে নাড়িয়ে দেয়
- কোয়ান্টাম নিউক্লিয়াস থাকলে তরলটি কম ঘন হয়, এর সান্দ্রতা পরীক্ষার ফলের সঙ্গে আরও ভালো মেলে, এবং এতে হাইড্রোজেন বন্ধন সামান্য কম থাকে।
- উল্টানোর আপাত শক্তি-বাধা ০.২৭২ ইলেকট্রন-ভোল্ট (ক্লাসিক্যাল) থেকে নেমে ০.২১৩ (কোয়ান্টাম) হয়, তাই তরল ঠান্ডা হওয়ার সঙ্গে সঙ্গে উল্টানো তুলনামূলকভাবে বেশি ঘন ঘন ঘটে।
- সব প্রতিবেশীকে স্থির রাখলে, উল্টে যাওয়া অণুটি আগের চেয়ে ০.২৭৭ ইলেকট্রন-ভোল্ট উঁচু শক্তিতে থাকে: পরিবেশটি উল্টানো আকারের জন্য একেবারেই উপযোগী নয়, তাই উল্টানো আর প্রতিবেশীদের পুনর্বিন্যাস একসঙ্গে ঘটে।
- প্রতিটি উল্টানোর আগে ও পরে প্রায় এক পিকোসেকেন্ড ধরে অণুটি হাইড্রোজেন বন্ধন হারায় এবং তার স্থানীয় ঘনত্ব কমে যায়। ৫ অ্যাংস্ট্রমের মধ্যে থাকা প্রতিবেশীরা — তার প্রথম স্তর — তাদের প্রায় ২% বন্ধন ও ১% ঘনত্ব হারায়; তার বাইরে কিছুই বদলায় না।
খাঁচা থেকে পালানো
উষ্ণতর তরলে কোয়ান্টাম নিউক্লিয়াস ব্যাপনকে মাত্র −৫% থেকে +২% পর্যন্ত বদলায়। কিন্তু প্রায় ২১০ কেলভিনের নিচে প্রভাবটি ধনাত্মক হয়ে যায় এবং ১৭০ কেলভিনে +১৮%-এ পৌঁছায়।
এর ব্যাখ্যা নিহিত আছে খাঁচাবন্দি প্রভাবে (caging)। তরল যত ঠান্ডা হয়, প্রতিটি অণু তত বেশি তার প্রতিবেশীদের মধ্যে আটকে পড়ে, যেমনটা কাচে ঘটে, এবং চলাচলের জন্য তাকে বেরিয়ে আসতে হয়। কোয়ান্টাম নিউক্লিয়াস থাকলে খাঁচা থেকে পালানোর সম্ভাবনা বেশি — ১৭০ কেলভিনে প্রায় ২০% বেশি — এবং তা ব্যাপনের বৃদ্ধির সঙ্গে তাল মিলিয়ে বাড়ে। লেখকদের ব্যাখ্যায়, কোয়ান্টাম সহায়তায় ঘটা প্রতিটি উল্টানো একটি ছোট স্থানীয় “গঠন-ভাঙনকারী”, যা ঠিক তখনই খাঁচাকে আলগা করে যখন খাঁচাগুলো গুরুত্বপূর্ণ হয়ে উঠতে শুরু করে।
লেখকেরা সতর্ক: ক্লাসিক্যাল ও কোয়ান্টাম তরলের তুলনা করা হয়েছে প্রত্যেকের নিজস্ব ঘনত্বে, তাই উল্টানোর ভূমিকা ঘনত্বের পরিবর্তন থেকে পুরোপুরি আলাদা করা যায়নি, আর খাঁচা থেকে পালানো ও ব্যাপনের মধ্যকার সহসম্পর্ক একা এই প্রক্রিয়াটি প্রমাণ করে না। তাঁদের মূল বক্তব্য হলো, একটি অণুর ভেতরের গতির ওপর কোয়ান্টাম প্রভাব, একবার পরিবেশের সঙ্গে যুক্ত হলে, পুরো তরলটি কীভাবে প্রবাহিত হয় সেই পর্যন্ত পৌঁছে যেতে পারে।