I atompropeller, kvantefænomener kan efterligne daglig fysik

I molekyler, der er visse grupper af atomer, der er i stand til at rotere. Denne bevægelse sker under påvirkning af tilfældige stimuli fra miljøet, og er ikke kontinuerlig, men forekommer i spring. Det antages generelt, at sådanne spring forekommer på en måde, der er typisk for klassiske objekter, såsom et blæserblad, der stikkes af en finger. Kemikere fra institutterne for det polske videnskabsakademi i Warszawa har, imidlertid, observerede rotationer, der følger de ikke-intuitive regler i kvanteverdenen. Det viser sig, at under passende betingelser, kvante rotationer kan meget vel efterligne normal, klassisk rotation.

Professor Slawomir Szymanski fra Institute of Organic Chemistry ved det polske videnskabsakademi (IOC PAS) i Warszawa er sikker på, at meget mere eksotiske og ikke-intuitive fænomener af kvante karakter er ansvarlige for nogle af de effekter, der observeres i molekyler. Årevis, han har udviklet en kvantemodel af hopperotationer af hele grupper af atomer i molekyler. Szymanskis teoretiske arbejde har netop fundet yderligere bekræftelse i forsøg udført på Institute of Physical Chemistry of the PAS (IPC PAS) af en gruppe ledet af Dr. Piotr Bernatowicz, og beskrevet i Journal of Chemical Physics .

"I kemi, kvantemekanik bruges næsten udelukkende til at beskrive bevægelse af små elektroner. Atomkerner, selv dem, der er så enkle som enkelt-protonkernen af ​​brint, betragtes som for store og massive til at blive udsat for kvanteeffekter. I vores arbejde, vi beviser, at denne bekvemme, men meget forenklede opfattelse endelig må begynde at ændre sig, i hvert fald i forhold til visse situationer, "siger prof. Szymanski.

Szymanskis kvantrotationsmodel beskriver rotation af atomgrupper sammensat af identiske grundstoffer, f.eks. hydrogenatomer. Den seneste publikation, afsluttet i samarbejde med Dr. Bernatowicz's gruppe, vedrører CH3 -methylgrupper. I deres struktur, disse grupper minder om bittesmå propeller. Der er tre brintatomer omkring carbonatomet med lige store mellemrum. Det har længe været kendt, at de methylgrupper, der er forbundet med et carbonatom til molekylerne, kan foretage rotationsspring. Alle brintatomer kan samtidigt rotere 120 grader rundt om kulstoffet. Disse rotationer er altid blevet behandlet som et klassisk fænomen, hvor brint 'bolde' simpelthen hopper i de tilstødende 'brønde', der lige er blevet forladt af deres naboer.

"Ved hjælp af nuklear magnetisk resonans, vi udførte vanskelige, men præcise målinger på pulvere af enkeltkrystaller af triphenylethan, en forbindelse af molekyler, der hver indeholder en methylgruppe. Resultaterne efterlader ikke plads til tvivl. Formerne på kurverne registrerede vi, såkaldte pulverresonansspektre, kan kun forklares ud fra den antagelse, at kvantefænomener er ansvarlige for methylgruppernes rotationer, "siger Dr. Bernatowicz.

Målingerne af methylgruppernes rotation ved nuklear magnetisk resonans krævede præcis kontrol af temperaturen af ​​de pulveriserede stoffer. Dette skyldes, at rotationens kvante karakter kun bliver tydeligt synlig i et snævert temperaturområde. Når temperaturen er for lav, rotationen stopper, og når den er for høj, kvantedrejningerne bliver ikke skelnes fra de klassiske. Eksperimenternes temperaturer ved IPC PAS, hvor rotationernes kvantekarakter var klart synlig, varierede fra 99 til 111 Kelvin.

Et nyt billede af den kemiske virkelighed kommer frem fra denne forskning. CH3 -gruppen i molekylet er ikke længere en simpel rotor sammensat af en carbonkerne og tre stift bundne hydrogenatomer. Dens faktiske natur er anderledes - intet brintatom indtager en separat position i rummet. Hvad mere er, hver af dem blandes løbende på en kvante måde med de to andre. Under de rigtige betingelser, methylgruppen, selvom den er konstrueret af mange atomer, viser sig at være en single, sammenhængende kvanteenhed, der ikke ligner noget, vi kender fra den daglige verden.

En beskrivelse af klassisk atomrotatorbevægelse kan konstrueres ved hjælp af en konstant, der måler gennemsnitsfrekvensen for dens spring. Det viser sig, at i kvantemodellen, der skal være to sådanne konstanter, og de afhænger af temperaturen. Når temperaturen stiger, begge konstanter får en lignende værdi, og rotationer af methylgruppen begynder at ligne klassiske rotationer.

"I vores målinger, vi observerede virkelig den gradvise transformation af methylgruppernes kvanterotationer til rotationer, der er vanskelige at skelne fra de klassiske. Denne effekt bør forstås på passende vis. Kvantefænomener ophørte ikke med at fungere, men efterlignede på en bestemt måde klassiske spring, "forklarer Dr. Bernatowicz.

Forskere fra IPC PAS og IOC PAS havde allerede bekræftet rigtigheden af ​​kvantrotationsmodellen i forsøg med methylgrupper (blandt andet i molekyler af dimethyltriptycen, hvor disse effekter blev ledsaget af dynamiske ændringer i krystalgitteret). Imidlertid, forudsigelser vedrørende rotationer af en meget mere kompleks atomstruktur, C6H6 benzenringen, afvente eksperimentel verifikation.

"Vores forskning er af grundlæggende karakter, og det er svært at tale her med det samme om specifikke applikationer, "bemærker prof. Szymanski, tilføjer, "Det er værd at understrege, imidlertid, at kvanteeffekter anses for at være ekstremt følsomme for miljøet. Kemikere og fysikere antager, at i meget tætte miljøer, de ødelægges af de termiske bevægelser i omgivelserne. Vi observerer kvanteeffekter ved relativt høje temperaturer, derudover i kondenserede miljøer:væsker og krystaller. De resultater, vi opnår, bør derfor være en advarsel til kemikere eller fysikere, der kan lide oversimplificerede fortolkninger. "

Efterligning af klassisk fysik med kvantefænomener, derudover i et tæt og relativt varmt miljø, er en overraskende effekt, der bør henlede opmærksomheden på, blandt andre, konstruktørerne af nanomaskiner. Ved at designe mindre molekylære enheder, de kan bevidst bevæge sig fra den klassiske fysiks verden til kvantefænomeners verden. Under nye betingelser, driften af ​​nanomaskiner kunne pludselig stoppe med at være forudsigelig.