Single-run determination of the saturation vapor pressure and enthalpy of vaporization/sublimation of a substance undergoing successive solid-solid and solid-liquid phase transitions: the case of $N$-methyl acetamide

الرقصة الخفية لجليد يذوب وبخار يتصاعد

تخيل أنك محقق يحاول حل لغز، لكن مشتبه به في قضيتك غير مرئي. في عالم الكيمياء والفيزياء، غالبًا ما يكون هذا المشتبه به هو "ضغط البخار" لمادة ما. فكر في ضغط البخار على أنه "رغبة المادة في الهروب". إذا تركت بركة من الماء في الخارج، فإنها تتحول ببطء إلى غاز غير مرئي (بخار) وتختفي. تلك النزعة للتحول إلى غاز هي ضغط بخارها. الآن، تخيل أن هذه المادة نفسها هي كائن "متحول للأشكال"؛ يمكنها أن تكون صخرة صلبة (حالة صلبة)، أو كتلة لينة (حلة سائلة)، أو غازًا، وأحيانًا تمتلك "شخصيات" مختلفة حتى وهي في الحالة الصلبة. يسمي العلماء هذه الشخصيات الصلبة المختلفة "متعددات الأشكال" (polymorphs).

لماذا نهتم بهذا؟ لأن معرفة مقدار رغبة المادة في الهروب كغاز عند درجات حرارة مختلفة يشبه امتلاك مفتاح رئيسي لفهم سلوكها. هذا أمر بالغ الأهمية لصناعة أدوية لا تفسد، وتصميم بطاريات أفضل، وحتى البحث عن لبنات الحياة في أعماق الفضاء. عادةً، لمعرفة ذلك، يتعين على العلماء إجراء عشرات التجارب المنفصلة، عبر تسخين وتبريد العينات مرارًا وتكرارًا، وهو أمر بطيء وعرض للخطأ. ولكن ماذا لو استطعت ضبط المادة وهي تغير رأيها، وتذوب، وتغير أشكالها في تجربة واحدة مستمرة؟ هذه هي قصة دراسة جديدة على جزيء يسمى "إن-ميثيل أسيتاميد" (N-methyl acetamide).

الجزيء المتحول و"معجزة التجربة الواحدة"

قرر العلماء في هذه الدراسة، محسن ساليمي، وأوريليان دانتان، وهنريك ب. بيدرسن، لعب لعبة "أمسك بي إن استطعت" مع جزيء "إن-ميثيل أسيتاميد". هذا الجزيء يعتبر بمثابة "نجم مشهور" في عالم الكيمياء؛ فهو يُستخدم في صناعة الأدوية والمبيدات الحشرية، ولأنه يحتوي على رابطة ببتيدية (وهي نفس النوع من الروابط التي تمسك حمضنا النووي DNA معًا)، فإنه يُعد أيضًا مشتبهًا به في البحث عن الحياة في الكون.

إليك الجزء الصعب: "إن-ميثيل أسيتاميد" هو مادة متعددة الأشكال. إنه ليس مجرد نوع واحد من المواد الصلبة، بل لديه "زيان" مختلفان يمكنه ارتداؤهما في الحالة الصلبة. في درجات الحرارة شديدة البرودة، يرتدي زي crII. وعندما يسخن إلى حوالي درجة مئوية واحدة، يغير زيه فجأة إلى crI. ثم، عندما يصبح أكثر دفئًا، حوالي 30 درجة مئوية، يتخلى أخيرًا عن الدور الصلب تمامًا ويذوب ليصبح سائلًا.

عادةً، لقياس كمية البخار التي يطلقها هذا الجزيء، يتعين على العلماء تجميده، ثم قياسه، ثم تسخينه، ثم قياسه مرة أخرى، ثم إذابته، ثم قياسه مرة أخرى. لكن هذا الفريق استخدم خدعة جديدة ذكية. لقد أخذوا عينة من الجزيء، وجمدوها حتى وصلت إلى -30 درجة مئوية، ثم وضعوها في غرفة مفرغة من الهواء كانت في درجة حرارة الغرفة (حوالي 34 درجة مئوية).

لم يكتفوا بمراقبته وهو يذوب فحسب؛ بل راقبوا عملية "الذوبان من التجمد" (thaw). فبينما كانت العينة المجمدة تسخن ببطء، لم تكن تسخن فقط؛ بل كانت تمر بتغييرات أزيائها. أولاً، تحولت من الحالة الصلبة crII إلى الحالة الصلبة crI. ثم ذابت لتصبح سائلًا. وطوال هذه الرحلة، كان العلماء يستمعون إلى الضغط داخل الغرفة. ومع ارتفاع درجة حرارة الجزيء، بدأ "يعرق" بخارًا. ومن خلال تتبع كيفية ارتفاع الضغط مع ارتفاع درجة الحرارة، تمكنوا من رسم خريطة دقيقة لمقدار البخار الذي يرغب الجزيء في إطلاقه عند كل خطوة من خطوات تحوله.

الاكتشاف الكبير: نظرة أولى على زي "crII"

الجزء الأكثر إثارة في هذه التجربة هو أنهم تمكنوا من القيام بكل ذلك في تشغيل واحد فقط. فبدلاً من التوقف والبدء من جديد، حصلوا على فيلم مستمر لسلوك الجزيء من -30 درجة مئوية وصولاً إلى 34 درجة مئوية.

لقد سمح لهم ذلك بالقيام بشيء لم يتمكنوا من فعله من قبل: قياس ضغط البخار والطاقة المطلوبة لتحويل الحالة الصلبة crII مباشرة إلى غاز (التسامي). قبل ذلك، كان العلماء يعرفون الكثير عن الشكل السائل والشكل الصلب crI، لكن شكل crII كان لغزًا غامضًا. وجدت الدراسة أن شكل crII يتطلب طاقة أقل بكثير للتحول إلى غاز مقارنة بشكل crI. في الواقع، فإن محتوى الحرارة (الإنثالبي) للتسامي في طور crII أقل بكثير من طور crI الأكثر اضطرابًا، مما يعني أنه يتطلب جهدًا أقل لفك جزيئات crII وتحويلها إلى بخار مقارنة بجزيئات crI.

كما قام الفريق بالتحقق من عملهم. فقد تأكدوا من أن العينة نظيفة للغاية عن طريق ضخ أي مياه أو شوائب أخرى قد تكون مختبئة في الخليط. ووجدوا أنه إذا لم ينظفوا العينة بشكل كافٍ، ستكون النتائج فوضوية وخاطئة. ولكن بمجرد تنقية العينة، أصبحت البيانات واضحة تمامًا. تطابقت الأرقام التي حصلوا عليها للشكل السائل وشكل crI تمامًا مع ما وجده علماء آخرون في الماضي، مما منحهم الثقة في اكتشافهم الجديد حول شكل crII.

لماذا هذا مهم؟

هذه الدراسة تشبه العثور على قطعة مفقودة من أحجية. من خلال إثبات أنه يمكنك قياس هذه الخصائص المعقدة والمتغيرة في تجربة واحدة، فتح العلماء الباب لدراسة العديد من المواد الصعبة الأخرى التي تغير أشكالها أثناء تسخينها. لقد أظهروا أنك لست بحاجة إلى إيقاف وإعادة تشغيل التجربة في كل مرة يغير فيها الجزيء رأيه؛ يمكنك فقط تركه يسخن ببطء ومشاهدة القصة بأكملها وهي تتكشف.

لأول مرة، لدينا الآن صورة واضحة لكيفية سلوك "إن-ميثيل أسيتاميد" في حالته الصلبة الباردة crII. هذا ليس مجرد رقم على مخطط؛ إنه فهم جديد لكيفية عمل هذا الجزيء المهم، مما قد يساعد العلماء في تصميم أدوية أفضل، وإنشاء بطاريات أكثر استقرارًا، وربما فهم كيمياء الحياة في النجوم. لا تدعي الورقة البحثية أنها حلت كل الألغاز، لكنها أظهرت لنا بالتأكيد طريقة أسرع وأنظف للنظر إلى العالم الخفي للجزيئات.