Nukleáris morfológia

 A morfológiai alapú atom-, és molekula-modellezés csupán arra képes, hogy láthatóvá tegye a kémikus, a vegyész számára, hogy valójában mivel is dolgozik. Megmutatja azt is, hogy mely atomok, vagy összekapcsolódott atomcsoportok, molekulák formai allotrópjai egymásnak, tehát azt, hogy ezek kémiai viselkedésének, vagy az élő szervezetben való viselkedésüknek, szerepüknek is hasonlónak kell lennie. Azt már a vegyésznek vagy a biokémikusnak kell eldöntenie, hogy ezzel mit tud kezdeni, mert a morfológiai modellezés csak eszköz, nem tudomány. Viszont olyan ismereteket képes a szakember elé tárni, amelyből az a saját tudományága ismeretei segítségével a megfelelő következtetéseket tud levonni. Olyan következtetéseket is, amelyekre eddig nem volt lehetősége. Ennél többet a modellezés nem tud. Valószínűségeket, és azok összefüggéseit mutatja meg, amely már összehasonlítható az ismert tényekkel.  Mivel azonban a formai allotrópok megmutatásával a kevéssé hozzáértő is képes bizonyos következtetések levonására, ezért az ilyen nyilvánvaló következtetésekre mindig felhívjuk a szakemberek figyelmét.

A következőkben két ilyen példát mutatunk be olyan vegyületeken, amelyek meglehetősen jól ismertek, de a morfológiai modellezés segítségével új információk szerezhetők róluk.

1) Az ammónium nitrát képlete (NH4NO3) a modellezés eredménye szerint pedig NH2-NH2-O3. Mivel a nitrogén morfológiai modellje ilyen, azaz olyan, mintha CH2 lenne,

látható, hogy nem „fér el” rajta csak két proton, azaz egy egész hidrogén molekula. Azzal viszont egy 16-os tömegszámú morfológiai egységgé egészül ki, amely a metán (CH4) formai allotrópja.

A kémiai ismeri az NH2-t, mint funkciós csoportot, amely az adott molekula kémiai reakcióiért felelős. A morfológiai modell pedig megmutatja azt, hogy ez valóban igaz, és az NH2 valójában „saját jogon” önálló molekula is lehetne, hiszen önálló morfológiai egységet alkot a modellben, és a molekulákban is.

Továbbmenve: két NH2 összekapcsolódva a kén 32 tömegszámú izotópjának formai allotrópját képezi le. (robbantott modell, a teljes formát lásd lejjebb)

Amennyiben ehhez három oxigén kapcsolódik, akkor a keletkezett molekula a kén-trioxid molekulának felelne meg, de a tények azt mutatják, hogy a kén-trioxid halmazállapota eltér az ammónium nitrátétól, tehát nem lesz valódi formai allotrópia közöttük, hanem az oxigén kapcsolódásának eltérő módja miatt az egyik folyadék lesz, a másik pedig szilárd, ami ugyan jól oldódik vízben, de nem rendelkezik a másik minden tulajdonságával.

A kén trioxid modellje

Az ammónium nitrát modellje

Hogy miért tér el a kapcsolódás módja, annak valószínűleg a hidrogén, mint önálló atom (molekula) kapcsolódása, és a magfelszíni (csúcson való) elhelyezkedése az oka. A morfológiai kapcsolódás összefüggései értelmében, amikor a vegyületben oxigén és hidrogén is van jelen, akkor az oxigén mindig a hidrogénen keresztül kapcsolódik a molekula más atomjaihoz. Annak eldöntésébe, hogy ilyenkor a hidrogén (proton) melyik atomhoz is kötődik erősebben, azaz a molekula bomlása esetén a hidrogént melyik atom fogja magával vinni, valószínűleg belejátszik a nitrogén és az oxigén „hidrogénvonzó” képessége közötti különbség, vagy közel azonosság. Erre azonban a morfológiai modellezés önmagában nem tud választ adni. Arra azért lehet következtetni, hogy ha a hidrogén kétatomos állapotban található a nitrogén felületén (azt formailag kiegészítve), és annak két protonja közül az egyikhez (a csúcson levőhöz) egy oxigén kapcsolódik, akkor lehetséges, hogy a hidrogén molekula válik ketté, és az egyik protont bizonyosan az oxigén viszi magával. Az is lehetséges, hogy mindkettőt. (Ennek megítélése azonban nem a morfológiai modellezés kompetenciája.)

A kapcsolódás módjára több morfológiai modell is alkotható, amennyiben a hidrogéneket eleve az oxigéneken helyezzük el. Ebben az esetben, a molekulában két vízmolekula, egy oxigén atom és két nitrogén atom vesz részt (2H2O-N2-O). Az ilyen molekulák morfológiai modelljében a hidrogén nélküli oxigén (mintegy szerkezeti elemként) mindig a két nitrogént kapcsolja össze, amely a kapcsolódási energiáját leköti, ezért nem „vonzódik” annyira a hidrogénhez. (valójában nem marad szabadon hidrogénkötő helye) Ennek a modellnek az elrendezése így néz ki.

Ammónium-nitrát alternatív modelljei

És ez utóbbi robbantott változatban.

Az ilyen és hasonló lehetséges változatok közül a helyes modell kiválasztása sem igazán a morfológiai modellezés kompetenciája. Azt sokkal biztosabban meg tudja tenni egy vegyész.

2) A karbamid – 2(NH2)CO – a morfológiai modellezésben is hasonló képlettel rendelkezik. Két, egymáshoz lapkötéssel kapcsolódó NH2 molekula (metán formai allotróp) alkot egy kén allotróp formai egységet, amelyhez egy szénmonoxid molekula kapcsolódik a szénen keresztül, szintén lapkötéssel. A molekula egyik végén levő oxigénen keresztül hidrogénkötéssel, a másik végén csúcspozícióban levő protonnal híd-kötéssel képes a vízhez kapcsolódni, ezért abban kémiailag is oldódnia kell.

Szénmonoxid forgó

A szénmonoxid modellje így néz ki, a két NH2 (S32 allotróp) modellje pedig így.

A kettőből egyesített karbamid modellje pedig így néz ki:

És ugyanez robbantott változatban.

A baloldali két morfológiai egység összetolva a kén formai allotrópját alkotja.

A morfológiai modell azonban azt is megmutatja, hogy a hasonlóság a kénhez nem csak formai, mert lennie kell egy olyan másik vegyületnek, amelyben a 2NH2 helyén valóban kén 32 izotópnak kell lennie. És valóban létezik is ilyen anyag, a karbonil-szulfid, amelynek a karbamid tökéletes formai allotrópja. A kettő formailag semmiben nem különbözik! A különbséget a kettő között csak és kizárólag az okozhatja, hogy a szabályos alfa felépüléssel keletkezett kén 32 izotópban a protonok és a neutronok eloszlása egyenletes, és számuk azonos, míg az NH2 molekulák egyik csúcsát két, egymás melletti helyzetű, proton alkotja, amely összekapcsolódásuk után a formai kén allotróp tulajdonságát, és ezzel a molekula tulajdonságát is megváltoztatja az azonos formájú, de valódi ként tartalmazó molekulához képest.

Úgy gondoljuk, hogy ez a két példa jól demonstrálja, hogy mire alkalmas, és mire nem alkalmas a morfológiai modellezés, és hogy az alkalmazásához mennyire szükség van a modellezett molekulákkal kapcsolatos szakismeretre.

Mindemellett úgy gondoljuk, hogy az atomok és a molekulák nem csak a morfológiai modellezés útján tehetők láthatóvá, hanem megfelelő eszközzel a valóságban is. A rendszerlogika és a modellezés együttes alkalmazása ugyanis a következő összefüggéseket hozta napvilágra.

A leképezésre használt eddigi eszközök mindig a fény információhordozó képességére alapozott optikai eszközök voltak, vagy az elektronnak ugyanezen a tulajdonságán alapuló elektronikus eszközök. A morfológiai modellezés megmutatja, hogy mind a foton, mind az elektron, mind az alfa részecske tetra-részecske. A rendszerlogikai összefüggés közöttük az, hogy információt hordozni csakis tetra-részecske képes, mert annak a nyomon követhető mozgásváltozása az, amelyben az információ rögzül. Ma azonban a három ismert tetra-részecske közül csak kettőt, a fotont és az elektront használjuk leképezésre. A harmadikat, az alfa részecskét, amely pedig szintén irányítható és fókuszálható ismert módszerekkel, nem használjuk. A rendszerlogikai összefüggés itt az, hogy a leképezés kontrasztossága függ a leképező közeg (részecske) felületének nagyságától, formájától, és a részecske mozgási sebességétől. Minél nagyobb tehát a részecske felülete a használt részecskeáramban, és minél kisebb annak az áramlási sebessége, annál kisebb részecskékről, annál kontrasztosabb képet alkot a leképezésre alkalmassá tett ernyőn. Az ezen a felismerésen alapuló eszköz kifejlesztésével tehetők ténylegesen láthatóvá az atomok és a molekulák, hiszen az elektronmikroszkóphoz képest kb. ezerszer nagyobb nagyítás, és 400-szor jobb felbontás érhető el. ez már a molekulák és az atomok világa.