Kita biasanya menganggap relativitas sebagai sesuatu yang terjadi di dekat lubang hitam. Atau di akselerator partikel. Jauh sekali. Tidak di dalam botol aseton di meja Anda. Namun gagasan aneh Albert Einstein ternyata lebih nyata dari yang Anda kira. Lebih dekat.
Di dalam atom berat, elektron bergerak begitu cepat sehingga merasakan efek relativitas khusus.
Lai-Sheng Wang di Universitas Brown dan timnya baru saja mengetahui hal ini. Untuk pertama kalinya. Mereka melihat molekul yang terbuat dari bismut dan karbon. Bismut itu berat. Itu terletak di dekat bagian bawah tabel periodik. Elektron di sekitarnya tidak hanya bergerak cepat; mereka cukup cepat sehingga aturan standar mekanika kuantum mulai tergelincir.
Relativitas khusus tidak lagi hanya membengkokkan ruang dan waktu. Ini membentuk kembali ikatan kimia.
Sigma pi berantakan
Begini cara kerjanya biasanya. Anda memiliki dua atom yang terhubung. Elektron di antara mereka membentuk ikatan. Bayangkan obligasi sigma sebagai tumpang tindih secara langsung. Seperti jabat tangan. Ikatan pi tumpang tindih secara berdampingan. Seperti berdiri bersebelahan dan bergandengan tangan. Ini adalah gambar yang rapi. Membersihkan. Dapat diprediksi.
Tim Wang memetakan distribusi elektron dalam molekul bismut-karbon. Mereka mengharapkan tiga obligasi. Satu sigma. Dua pi. Tarif standar.
Mereka melihat datanya. Itu salah.
Alih-alih bentuk sigma atau pi yang berbeda, mereka melihat kekaburan. Dua dari obligasi tersebut adalah hibrida yang berantakan. Campuran segalanya. “Karakter mereka berbeda dari pemahaman normal,” kata Wang. Anda bahkan tidak bisa menyebutnya sigma atau pi.
Mengapa? Inti bismut sangat besar. Ini menarik elektron-elektron bagian dalam dengan keras. Faktanya, begitu sulitnya sehingga interaksi elektromagnetik memaksa elektron mencapai kecepatan relativistik.
Kirk Peterson dari Washington State University menghitung angka-angka tersebut. Dia membenarkannya. Pencampuran ini terjadi karena elektron di dekat bismut bergerak mendekati kecepatan cahaya sehingga tidak sesuai dengan matematika Einstein. Peterson menyebut data eksperimen sebagai “sebuah kemewahan.” Dia mencatat betapa sulitnya mendapatkan data yang bagus untuk elemen berat.
Dingin dan jernih
Ada trik untuk melihatnya dengan jelas. Anda tidak dapat memiliki elektron yang goyah. Wang mendinginkan molekul secara drastis. Sangat dingin.
Ini mematikan kegelisahan. Tidak ada kebisingan termal. Tidak kabur. Hanya peta yang jelas tentang di mana elektron ingin berada. Tanpa langkah itu, distorsi relativistik akan hilang dalam keadaan statis.
Ini membuat Anda bertanya-tanya mengapa kita begitu sering mengabaikan relativitas di kelas kimia.
Trond Saue di Universitas Toulouse menjelaskannya dengan jelas: mekanika kuantum standar diuraikan di bagian bawah tabel. Anda memerlukan relativitas untuk membuatnya berhasil. Secara teori, ini bukanlah berita baru. Emas berwarna kuning, bukan perak-putih karena hal ini. Merkuri berbentuk cair, bukan balok padat. Tapi melihatnya secara aktif mengubah cara atom berikatan? Itu jarang terjadi.
Pekka Pyykö dari Helsinki mengatakan hal ini penting bagi kimia. Jika Anda menggunakan bismut dalam reaksi organik, perubahan relativistik pada ikatannya mungkin mengubah perilakunya. Ini mungkin bisa menjadi katalis yang lebih baik. Atau yang lebih buruk. Studi terbaru di Institut Max Planck menunjukkan bahwa efek relativistik menjadikan bismut sebagai akselerator yang baik untuk proses kimia tertentu.
Jadi struktur obligasinya runtuh? Tidak tepat. Itu baru saja berubah.
Wang ingin tahu kapan. Titik mana dalam tabel periodik yang membuat obligasi tradisional gagal total. Mereka menukar bismut dengan tetangganya untuk menguji batasannya.
Rasanya seperti kita baru menggores permukaan kimia unsur berat. Buku pelajaran yang lama mungkin sudah ketinggalan jaman sekarang. Tapi belum ada yang memperbarui sampulnya.
Hal tersulit adalah kurangnya data eksperimen yang benar-benar bagus.
Itu berubah hari ini. Mungkin besok karbon di pulpenmu akan bertingkah aneh juga. Mungkin tidak. Tapi mengapa berasumsi tidak?
