Može se reći da se hemija atoma pri formiranju molekula pojavljuje kao fizička posledica aktivnosti (ponašanja) elektrona. Značaj primene kvantne mehanike u proučavanju hemijskih i bioloških procesa ogleda se u mogućnosti da se priroda ovih složenih procesa sagleda sa najfundamentalnijeg stanovišta, tj. sa aspekta ponašanja elektrona. Stoga, neophodnost spoznaje ove komplikovane aktivnosti predstavlja poseban izazov.

Ovim pitanjem bavila su se velika imena svetske nauke s početka 20. veka, kao što su G. N. Luis, L. C. Poling i C. A. Kulson. Preovlađujuće je mišljenje da se oni mogu smatrati tvorcima teorije vezivanja atoma u složenije sisteme. Ono što im je zajedničko jeste to što su prepoznali da su najudaljeniji elektroni od atomskih jezgara, poznati kao valentni elektroni, najodgovorniji za stvaranje molekula putem svoje hemijske aktivnosti. Sa druge strane, unutrašnji elektroni, usled svoje blizine, izloženi su izraženijem uticaju atom-skih jezgara, i posledično pokazuju neznatnu hemijsku aktivnost pri atomskom vezivanju. Dugujemo zahvalnost G. N. Luisu za njegove poznate "tačkaste" strukture pri objašnjavanju migracija i fizičke deobe valentnih elektrona između atomskih jezgara. Ne zaboravimo da "tačka" personifikuje elektron. L. C. Poling i C. A. Kulson su radili na tome da ovu fizičku deobu valentnih elektrona opišu kvantitativno, pripisujući jednu meru ove deobe, valencu, svakom pojedinačnom atomu. Valenca je pojmljiva kao broj veza formiranih od strane pojedinačnog atoma pri formiranju molekula. Ideja valence vodila je ka atomskim i molekularnim orbitalama, koje su i do današnjeg dana omiljeni koncepti za kvalitativno razumevanje prirode hemijskog vezivanja. Ovde se pojavljuje problem. Iako privlačne, orbitale nisu ništa drugo osim matematički modeli, koji su korisni u cilju sticanja vizuelne predstave o suštinski komplikovanim elektronskim interakcijama. Na prvi pogled te vizuelne predstave su lepe za oko, ali istovremeno varljive, u smislu da različite orbitale pružaju različite slike o jednoj te istoj elektronskoj aktivnosti. Pošto priroda ne poznaje orbitale, intuicija nam sugeriše da su zaključci, bazirani na orbitalama, dvosmisleni i zbunjujući. Iz ovog razloga, razumevanje fizički opravdanog ponašanja elektrona u atomima i molekulima je od vitalne važnosti.

Ideja fizički opravdane delokalizacije pojedinačnog elektrona

Logika kvantne mehanike pri proučavanju višeelektronskih sistema, kao što su atomi i molekuli, jeste da prvo treba proučavati najjednostavniji vodonikov atom u smislu spoznaje ponašanja njegovog elektrona.

Često se napravi previd i konstatuje da je aktivnost jedinog elektrona manje više poznata. Zaboravlja se da su neke pretpo-stavke o prirodi same čestice neophodne u samom startu. Ova pojednostavljenja povezana su sa masom i energijom elektrona. Verodostojnost pretpostavki suštinski zavisi od konkretnog aspekta elektronskog ponašanja koji želimo da istražujemo. Uzimajući u obzir još jedan elektron prisutan

u dvoelektronskim sistemima, slika postaje neznatno komplikovanija za razumevanje u poređenju sa vodonikom. Prisustvo međuelektronskih interakcija postaje sve očiglednije. Daljim uvećanjem broja elektrona, problem proučavanja sveukupne elektronske aktivnosti postaje ozbiljniji.

Za razliku od stanovišta fizičke deobe elektrona između atomskih jezgara koji je zastupao slavni naučnik G. N. Luis s početka 20. veka, ideja fizički opravdane deobe ogleda se u razumevanju da je svaki elektron, kao talas, jednostavno delokalizovan preko svih atoma koji čine molekul

Ovaj problem je potrebno posmatrati kroz jednu drugu prizmu. Sa jedne strane, dobro je poznato da su talasi suštinski delokalizovane strukture u smislu prostiranja kroz prostor.

Sa druge strane, sveukupno ponašanje elektrona, kako u jednoelektronskim tako i u višeelektronskim sistemima, opisano je talasnom funkcijom. Stoga, elektroni su takođe delokalizovane strukture. Kako mole-kularni sistemi postaju složeniji sa uvećanjem broja atoma, tj. broja elektrona, tako i talasne funkcije sa svojim interpretacijama postaju sve komplikovanije. Znači logika kvantne mehanike, idući od jednog ka većem broju elektrona dodajući uvek po jedan, prelama se na složenosti talasne funkcije. Pronalaženje fizički opravdanih prilaza interpretaciji suštinski komplikovanih talasnih funkcija na jedan jednostavan i elegantan način je ključna ideja ovog istraživanja. Izvesno je da je ishodište u talasnim funkcijama dobrog kvali-teta u smislu što verodostojnijeg obuhvatanja interakcija između elektrona, a ne u fizički neopravdanim orbitalama.

Struktura delokalizacije elektrona u atomima: novi koncept

Atomi, iako nevidljivi, pojmljivi su kao trodimenzionalne zapremine koje obuhvataju jezgro sa elektronima nastanjenim u neposrednoj okolini. Interesantno je postaviti sledeće pitanje: kakav je uticaj aktivnosti elektrona na oblik zapremine izolovanog atoma? U više tradicionalnom smislu, intuicija nam signalizira da preovlađujući uticaj dolazi od strane valentnih ili hemijski aktivnih elektrona, dok je doprinos drugih, neaktivnih, neznatan. Ako za trenutak napustimo takvu koncepciju razmišljanja, pod fizički oprav-danom aktivnošću se podrazumeva talasno prostiranje i delokalizacija svake elektronske čestice ponaosob. Imajući ovo u vidu, odgovor na postavljeno pitanje je pružio odgovor na jedno drugo pitanje: iz kojih su prostornih oblasti u izolovanim atomima elektroni poprilično delokalizovani, a u kojima su suštinski lokalizovani?

Kao fizička posledica ponašanja elektrona, struktura elektronske delokalizacije, nalik na tradicionalne atomske ljuske, je ustanovljena u atomima, od najlakših do onih težih kao što su radon i zlato. Ovaj novi koncept pokazuje da ljuske ne treba vezivati za atome, već za aktivnost elektrona

Za korišćenu strategiju sve prethodne informacije, dostupne u literaturi o udaljenosti na kojoj se nalaze pojedini elektroni od atomskih jezgara, bile su nevažne. Razlog leži u površnosti i oslanjanju takvih zaključaka na fizički neopravdane orbitale. Talasna funkcija, koja uključuje međuelektronske interakcije za svaki proučavani atom, bila je suštinski početak. Pošto sferična zapremina predstavlja najjednostavniju trodimenzionalnu prostornu konstrukciju, pristupio sam formiranju sferič-nih površina sa centrom u središtu jezgra i različitim poluprečnicima. Prvi izabrani poluprečnik dosezao je do izrazite blizine jezgra, i tada je postepeno uvećavan do udaljenosti na kojoj elektroni verovatno nisu prisutni prema čistoj hemijskoj intuiciji.

Na osnovu talasne funkcije, uspeo sam da brojčano izrazim deobu elektrona između unutrašnjosti i spoljašnjosti sferične zapre-mine za svaki pojedinačni poluprečnik. Tako dobijene vrednosti su zatim predstavljene kao funkcija rastojanja od jezgra. Identičan postupak  ponovljen je za više atoma, koji pokazuju različite hemijske osobine. Razmatrani su svi atomi iz prva dva reda i svi atomi iz poslednje kolone periodnog sistema elemenata, kao i cink i zlato. Atom zlata (Au) dat je na slici kao primer. Svi grafovi su izgledali fantastično, bukvalno kao talasi, imajući kristalno jasno definisane naizmenične maksimume i minimume. Jasno vidljivi maksimumi određuju prostorne oblasti elektronske delokalizacije, dok minimumi ukazuju na regione u kojima su elektronska naelektrisanja lokalizovana. Drugim rečima, maksimumi prostorno odgovaraju oblastima unutar atomskih ljuski, dok minimumi odgovaraju oblastima prelaza između njih. Ove talasne strukture su uslovile formulaciju novog koncepta, poznatog u literaturi kao struktura elektronske delokalizacije. 

Zlato (Au) je po mnogo čemu osoben atom. Najbliži elektroni u odnosu na jezgro su na tako malim, skoro zanemarljivim rastojanjima tako da su interakcije između elektrona i jezgra veoma intezivne. Ove interakcije su poznate kao relativistički efekti. Usled ovih efekata, elektronska struktura zlata nije bila prepoznata u literaturi pre mog pokušaja da razrešim ovu nedoumicu. Već na samom početku uspeo sam da kreiram najbolju moguću talasnu funkciju, imajući u vidu 79 elektrona i svu složenost njihovih međusobnih interakcija. Usled računarskih ograničenja i nemogućnosti da se uključe relativistički efekti, ova talasna funkcija bila je najbolja nerelativistička. Ova činjenica je nalagala opreznost. Međutim, struktura delokalizacije elektrona u atomu zlata izgledala je besprekorno. Kao što se može videti na slici levo, prvi maksimum od oko 0,5, iako malo zaravnjen, jasno je vidljiv i vodi poreklo od njabližih elektrona koji popunjavaju prvu ljusku.

Talasna disharmonija između elektrona "različitog identiteta" (s, p, d, f) pojavljuje se kao zaštitni znak hemijski aktivnih (valentnih) oblasti u atomima

Doprinosi elektrona "različitog identiteta" (s, p, d, f) ukupnoj delokalizaciji prikazani su na slici kao talasi *, ▲, ●, i ■. Upadljivo je da se u unutrašnjim (hemijski neaktivnim) ljuskama njihovi maksimumi pojavljuju na otprilike istom rastojanju od jezgra. Ako se fokusiramo na valentnu (hemijski aktivnu) oblast, dishar-monija u njihovom prostiranju je očigledna. Ova talasna disharmonija prepoznatljiva je kao intenzivna interferencija između s, p, d, i f elektrona. Drugim rečima, interferencija između elektrona "različitog identiteta" postaje obeležje hemijski aktivnih oblasti u atomima. Neznatna interferencija u unutrašnjim ljuskama znači da je sfera prihvatljiva aproksimacija za zapreminu hemijski neaktivne oblasti u atomima. Postojanje interfe-rencije u valentnoj oblasti znači da je sfera neprihvatljiva zapremina u hemijski aktivnoj oblasti, radije neka izrazito kriva površina usled burne hemijske aktivnsti elektrona i posledičnog formiranja veza.

Pošto je ishodište u talasnoj funkciji, primer jedne neznatno modifikovane talasne funkcije za CH₂PH₃, poznatije kao deobna amplituda, prikazan je na sledećoj slici. Vrlina ove trodimenzionalne talasne površine jeste to što sadrži značajnu hemijsku informaciju, koja se u osnovi može opisati više tradicionalnim jezikom i opipljivijim konceptima, kao što su hibridne orbitale. Tu leži sva lepota ovog novog pogleda na strukturu i hemiju atoma i molekula.

Sa stanovišta organske hemije, sasvim je racionalno posmatrati molekule ne samo kao kompozicije sastavljene od međusobno vezanih atoma, već i kao skupove koji obuhva-taju više atomskih grupa. Talasna priroda elektrona dozvoljava dva nova uvida u prirodu hemijskih veza. Prvo, vrednosti koje kvanti-tativno izražavaju elektronsku deobu između nesusednih atoma ukazuju na talasnu rasprostranjenost elektrona preko svih atoma između dva krajnja, uključujući i njih.

Ovaj aspekt ukazuje na hemijsku stabilnost ili nestabilnost određenih atomskih grupa kao manjih delova složenijih molekularnih sistema. Drugo, moguće je kvantitativno izraziti ukupnu deobu elektrona između dve grupe atoma u istom molekulu, jednostavno sabirajući elektronske delokalizacije između svaka dva atoma koji pripadaju različitim grupama.

Do sada, ovaj aspekt je bio potpuno nepoznat u udžbenicima iz hemije. Od sada, može biti od posebnog interesa za organske hemičare.

U ovom tekstu, jedno novo stanovište, koje u prvi plan stavlja talasnu prirodu i aktivnost elektrona u atomima i molekulima, prikazano je u kratkim crtama. Ovo stanovište utire put budućim naučnim istraživanjima. Generalna ideja, koja će usmeravati ta istraživanja, jeste da se primene ovog pristupa prošire na molekularne sisteme sa većim brojem atoma, pre svega na biološke sisteme. Pošto je ishodište u talasnoj funkciji, biće neophodno učiniti dostupnim kvalitetne talasne funkcije za tako velike sisteme s obzirom na ograničenja koja trenutno postoje. Ova ograničenja su dvostruka i odslikavaju se u nedostatku algoritama za takve primene i nedovoljnoj kompjuterskoj "snazi" za njihovu implementaciju. Ovo istraživanje je u samom korenu imalo za cilj da stimuliše buduće naučne poduhvate na oba polja paralelno.

Brain Drain

Dr Petar M. Mitrašinović

Kroz tekst "Novi pogled na strukturu i hemiju atoma i molekula: Fizički opravdano ponašanje elektrona" predstavljamo još jednog našeg naučnika mlađe generacije koji čini deo do sada nezaustavljenog procesa "odliva mozgova" i ogromnog gubitka najdragocenijeg supstrata domaće nauke.

Dr Petar Mitrašinović trenutno živi i radi u Kanadi, na Univerzitetu Dalhousie u Halifaksu. Diplomirao je 1993. i magistrirao 1995. u oblasti nanotehnologije i novih materijala na Mašinskom fakultetu u Beogradu, gde je bio i zaposlen. U svojoj magistarskoj tezi, predložio je nov metod komercijalne sinteze molekula C60, do tada nepoznat u svetu nauke (samo godinu dana kasnije, za istraživanja u ovoj oblasti dodeljena je Nobelova nagrada).

Nedavno je u Sjedinjenim Američkim Državama optimizovao ovaj postupak sinteze pomoću lasera u smislu postizanja maksimalnih prinosa i proizvodnih brzina. Doktorirao je kvantnu hemiju na Državnom univerzitetu Floride (Florida State University) u SAD 2002, gde je radio kao asistent i predavač. U svojoj doktorskoj disertaciji, dokazao je da su strukture atoma i molekula kao i njihove hemijske reakcije fizička posledica talasne prirode elektrona i time osporio dotadašnje razumevanje, koje je bazirano na masi i energiji elektrona i prisutno u većini univerzitetskih udžbenika iz hemije i fizike. Još kao nesvršeni doktor nauka publikovao je ovo otkriće kroz četiri naučna rada kao jedini autor u najuglednijim svetskim časopisima. Tokom 2002. godine radio je kao naučni saradnik Evropske unije na Univerzitetu u Monsu, Belgija, u okviru projekta SANEME u oblasti molekularne elektronike. Njegov originalan istraživački projekat u oblasti kompjuterske biohemije pobedio je na konkursu čuvene Kanadske naučne fondacije "Izaak Walton Killam" posvećene strateškom privlačenju najtalentovanijih naučnika iz celog sveta u Kanadu, posle čega u januaru 2003. prelazi na Univerzitet Dalhousie. Objavio radove kao jedini autor u vodećim svetskim naučnim časopisima, napisao jedno poglavlje u knjizi "Svet hemije" objavljenoj u SAD i držao predavanja na najuglednijim kongresima i simpozijumima širom sveta. Član je Američkog hemijskog društva, Forsajtovog instituta za molekularnu nanotehnologiju u SAD, Kanadskog hemijskog društva, i Hemijskog instituta Kanade