نیرو و پتانسیل های بین اتمی
نيروها و پتانسيلهاي اتمي يا بينملكولي در مدلسازيهاي ديناميك ملكولي
از نظر فيزيكي نيروها ــ پيوندها يا قيدهاي ــ بين اتمها و مولكولها منشأ حيات و برپاکنندة ی مواد هستند.
آنچه از اين بحث ميآموزيم:
.1 مفهوم نيرو و انرژي پتانسيل؛
2 .آشنايي با انواع پيوندهاي بين اتمي؛
در دنياي پيرامون آنچه داراي حيات است، يا موجوديت دارد، به نوعي از ذراتي (مولكولهاي ريز و درشت) بههممقيد، چه به صورت موضعي و چه بصورت جامع، ساخته شدهاند. اين سخن ريچارد فينمن (پدر فناوري نانو) بسيار جالب و بديهي به نظر ميرسد .به لحاظ نظري، هر ساختار اتميِ مولكولي كه قوانين بنيادين حاكم بر فيزيك و شيمي را نقض نكتد مجاز است، به شرط آن كه پايدار باشد.
الف ـ مروري بر چند مفهوم
براي ورود به بحث، لازم است بعضي از مفاهيم پُرکاربرد را يادآوري کنيم:
نيرو: نيروها تمام اثرات محيط اطراف، شامل اتمها و مولکولهاي اطراف يک جسم (سيستم) بر آن جسم است که بر حرکت و رفتار کلي آن اثر ميگذارد. در فيزيك و شيمي تا كنون چند نيروي مهم شناخته شدهاند كه باعث گرد هم آمدن مولكولها و اتمها و تشكيل ساختارهاي نانومتري و بزرگتر ميشوند. شما با برخي از اين نيروها آشنا هستيد.
انرژي پتانسيل: همانطور که فنرِ فشردهشده داراي انرژي نهفتة پتانسيل کشساني است و به محض رهاشدن انرژي آزاد ميكند، مجموعهاي از اتمها يا مولکولها هم در کنار يكديگر داراي انرژي ميشوند و براي آزاد شدن آن بايد تمام پيوندهاي بهوجودآمده را پاره کرد. انرژي لازم براي از هم گسيختن پيوندها همان انرژي پتانسيل است.
توجه کنيد که يک سيستم واقعي، مانند يک مولکول پيچيده و طويل، داراي انواع و اقسام نيروها و پيوندهاي بين اتمي است.
يک بررسي جامع شامل در نظر گرفتن تمام اين برهمکنشهاست. ولي هنوز قدرت محاسباتي بشر آنقدر نيست که رفتار يک مولکول را به طور كامل شبيهسازي و پيشبيني کند. اين به آن معناست که براي يک مولکول خاص، تمام نيروهاي بين اتمي شناخته و شبيهسازي نشدهاند تا مطمئن باشيم که محاسباتمان همان نتيجهاي را خواهد داد که در طبيعت از آن مولکول ميبينيم. بلکه ما تنها تقريبهايي از برخي نيروها را به حساب ميآوريم. شايد برايتان عجيب باشد که تنها مسئلة دقيقاً حلشده در فيزيک و شيمي، پيشبيني رفتار يک تکاتم هيدروژن با يک الکترون تنهاست. مولکولهاي چنداتمي با تعداد الکترونهاي بيشتر، با تقريبهايي از پتانسيلهاي بيناتمي که «پتانسيلهاي تجربي» ناميده ميشوند قابل حلاند. همچنين اينطور نيست كه پتانسيل يا نيروي بيناتمي، جوابگوي تمام خصوصيات فيزيکي و شيميايي يك مولكول باشد.
ب ـ انواع پيوندها
به طور ساده، گرد هم آمدن اتمها و تشکيل ساختارهاي مولکولي و بلوري خاص به چند نوع پيوند بيناتمي زير تقسيم ميشوند:
.1 پيوند واندروالسي: كه از القاي ميدان الکتريکي از دوقطبيهاي لحظهاي يک اتم به اتم ديگر ناشي ميشود و به «نيروهاي واندروالسي» معروف است. در فواصل دور )بر حسب نانومتر) اين نيروها جاذبه و در فواصل نزديک دافعهاند.
.2 پيوند يوني: كه در آن با آزاد شدن يک الکترون از يک اتم (مثل سديم) و ملحق شدن آن به اتم ديگر (مثل کلر) يونهاي غير همنوع تشکيل ميشوند. اين يونها يکديگر را مطابق با روابط بهدستآمده از قانون کولن جذب ميكنند. نيروي کولني يک نيروي بلندبُرد است بنابراين، پيوند يوني طول پيوند بلندي دارد.
.۳يوند کوالانسي: كه از به اشتراک گذاشتن الکترون تراز آخر اتمها با يکديگر تشكيل ميشود. اين پيوند غير الکترواستاتيکي و معمولاً جهتدار است. يعني وقتي دو اتم ميخواهند الکترون به اشتراک بگذارند، به خاطر ساختار فضايي جسم از يک جهت خاص به هم نزديک ميشوند و جفت الکترون پيوندي در ناحية بين آن دو و در همان جهت متمرکز ميشود. چون تعداد اتمهاي شرکتکننده در يک جهت ممکن است بيشتر باشد، پس تعداد پيوندها نيز در يک جهت بيشتر از ساير جهات ميشود. (براي كسب اطلاعات بيشتر بايد به ساختار شبکههاي جامدات در فيزيک حالت جامد يا شيمي عمومي ــ در كتابي مانند «شيمي عمومي» نوشتة مورتيمر مراجعه کنيد.)
.4 پيوند فلزي: توجه کنيد که اتمهاي فلزي با يکديگر پيوند به معناي گفتهشده در بندهاي قبل ندارند، بلکه در اينقبيل پيوندها الکترونهاي آزادِ تراز آخر در سرتاسر جسم فلزي در حال حرکتند و يونهاي مثبت سدهايي (محدود)براي حرکت آنها به طور تناوبي ايجاد ميکنند. آزادي الکترونها و در قيد يونهاي مربوطه نبودنشان ــ که به نوعي به اشتراک گذاشتن الکترونها با هم است ــ فلز را به وجود ميآورد.
.5پيوند هيدروژني: اين پيوند به خاطر به هم خوردن تراکم الکتروني اطراف اتمهاي مولکولهايي است كه شامل اتم هيدروژن هستند. در سيستمهاي زنده، مثل مولکولDNA و پروتئينها، اين نوع پيوند نقش اساسي دارد. توجه کنيد که در تشکيل يک ساختار فيزيکي، احتمال حضور چند پيوند به طور يکجا وجود دارد.
