Polscy naukowcy odkrywcami efektu kwantowego w wysokich temperaturach

Polscy naukowcy odkryli efekt kwantowy działający w temperaturach wyższych niż pokojowe. Do tej pory efekty kwantowe obserwowano tylko w temperaturach niskich - odkrycie może zmienić całkowicie chemię kwantową.

Zdjęcie

. /123RF/PICSEL
.
/123RF/PICSEL

Zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej PAN (IChF   PAN) w Warszawie, kierowany przez prof. dr. hab. Jacka Waluka we współpracy z grupą prof. dr. hab. Czesława Radzewicza z Wydziału Fizyki   Uniwersytetu   Warszawskiego (FUW) wykazał w trakcie doświadczeń iż jeden z podstawowych efektów kwantowych - tunelowanie   -   zachodzi nawet w temperaturach przekraczających   temperaturę wrzenia wody.

Okazało się także iż tunelowanie dotyczy jąder wodoru, tunelujących w cząsteczkach pływających w roztworze i zjawisko to jest odpowiedzialne za przebieg wielu reakcji chemicznych.

Reklama

Tunelowanie jest efektem probabilistycznej natury obiektów kwantowych. W świecie kwantowym bez zaburzenia stanu cząstki elementarnej, atomu lub ich niewielkiej grupy, prawdopodobieństwo określenia położenia obiektu kwantowego jest rozmyte. Obiekt kwantowy jest nieoznaczony czyli przenika przez różne bariery bez zwiększania energii. Zjawisko to jest znacznie szybsze niż zwykłe pokonywanie przestrzeni, a jego prawdopodobieństwo tym większe im mniejsza jest odległość, na którą tuneluje obiekt.

- Chemicy od pewnego czasu oswajają się z myślą, że elektrony w cząsteczkach mogą tunelować. Ale zmiana położenia jednego czy drugiego elektronu to nie reakcja chemiczna. My wykazaliśmy, że   w   cząsteczce mogą tunelować także protony, czyli jądra atomów wodoru. Po raz pierwszy mamy więc  dowód,   że  reakcja  chemiczna może  zachodzić  wskutek tunelowania,  na dodatek  w roztworze i w temperaturze pokojowej lub nawet wyższej - stwierdza prof. Waluk.

Naukowcy przeprowadzali eksperymenty, używając cząsteczek porficenu(C20H14N4),   izomeru   porfiryny. Są to związki występujące naturalnie w przyrodzie m.in. w ludzkiej krwi, gdzie współuczestniczą w transporcie tlenu. Cząsteczki te składają się z płaskich pierścieni węglowych   z   atomami wodoru na zewnątrz i czterema atomami azotu w centrum, rozmieszczonymi w narożach czworoboku.  W przestrzeni otoczonej atomami azotu  znajdują się dwa   protony,   czyli   jądra   atomów  wodoru. Protony te mogą się przemieszczać między atomami azotu. Nie wiadomo jednak, czy działo się to klasycznie, przez przesuwanie, czy przez tunelowanie.

W celu zbadania tej kwestii należało określić czasy przeskoków, jak stwierdził prof. Waluk, "im wyżej proton wspina się po drabince energetycznej porficenu, tym mniejsza szerokość bariery do   pokonania". "Tunelowanie   staje   się wtedy coraz bardziej prawdopodobne. Wszystko więc wskazuje, że zanim proton zdąży się wspiąć do poziomu  energetycznego pozwalającego klasycznie pokonać barierę potencjału, zwykle i  tak przetuneluje" - dodaje.

Jednak sam proces wspinania sie po barierze potencjału nie jest prosty, bowiem dostarczenie protonom energii, wzbudza drgania w całej cząsteczce porficenu. Drgań tych jest 108 rodzajów i jedne ułatwiają tunelowanie, inne je blokują. W trakcie doświadczeń warszawskich badaczy, wyznaczono stałe szybkości reakcji chemicznych z udziałem porficenu w zakresie temperatur od 20   do 400 kelwinów. Stałe te dotyczą przeskoków protonów zachodzących w   podstawowym stanie energetycznym cząsteczki oraz w jednym ze wzbudzonych   stanów   oscylacyjnych, promującym tunelowanie. Na ich podstawie wyznaczono czasy przeskakiwania protonów między atomami azotu.

Z badań referencyjnych, prowadzonych w niskich temperaturach, wiadomo było iż tunelowanie na pewno zachodzi jeśli te czasy wynoszą kilka pikosekund (milionowych części jednej milionowej części sekundy). I takie właśnie czasy zaobserwowano w czasie eksperymentów w Warszawie. Co ciekawe z pomiarów wynika, iż tunelowanie nie   tylko ma miejsce w porficenie,   ale   odpowiada za   co najmniej 80 proc. przeskoków protonów w centrach cząsteczek i zachodzi nawet w temperaturze pokojowej.

Odkrycia warszawskich naukowców oznaczają iż możliwe jest bardzo precyzyjne, na poziomie atomowym, kontrolowanie reakcji chemicznych. To nowa gałąź chemii, nazywana chemią   selektywną modowo, była dotąd możliwa tylko w niskich temperaturach. tymczasem odkrycie naukowców z IChF PAN i FUW oznacza, że można sterować reakcjami także w temperaturze pokojowej. Wtedy pływające w roztworze cząsteczki chemiczne, wcześniej wzbudzone w sposób   zwiększający ich reaktywność, można byłoby wprowadzać w stan oscylacyjny, który tę reaktywność znacząco obniża (lub odwrotnie). Konkretną reakcję, być może jedną z wielu zachodzących w roztworze, można byłoby wtedy włączać i wyłączać na życzenie, za pomocą niewielkich zmian w ilości energii dostarczanej cząsteczkom wybranego związku.
(MW)

Artykuł pochodzi z kategorii: Innowacje - SG

Więcej na temat:innowacje | nauka

Zobacz również

  • 5 samochodów = tona odzyskanego plastiku

    Gdyby zgodnie z przepisami przetworzyć 5 samochodów, pozwoliłoby to odzyskać prawie tonę tworzyw sztucznych - wynika z badań Stena Recycling, lidera w dziedzinie kompleksowych rozwiązań... więcej