Kulstof viser kvanteeffekter

Kemikere ved Ruhr-Universität Bochum har fundet beviser for, at kulstofatomer ikke kun kan opføre sig som partikler, men også som bølger. Denne kvantemekaniske egenskab er velkendt for lette partikler såsom elektroner eller brintatomer. Imidlertid, forskere har kun sjældent observeret bølge-partikel-dualiteten for tunge atomer, såsom kulstof. Teamet ledet af prof. Dr. Wolfram Sander og Tim Schleif fra formanden for organisk kemi II sammen med prof. Dr. Weston Thatcher Borden, University of North Texas, rapporter i journalen Angewandte Chemie .

"Vores resultat er et af få eksempler, der viser, at kulstofatomer kan vise kvanteeffekter, " siger Sander. Konkret, forskerne observerede, at kulstofatomer kan tunnelere. De overvinder dermed en energisk barriere, selvom de faktisk ikke har nok energi til at gøre det.

Sjældent observeret for tunge partikler

Wolfram Sander forklarer paradokset:"Det er som om en tiger har forladt sit bur uden at hoppe over hegnet, hvilket er alt for højt for ham. Men han kommer stadig ud." Dette er kun muligt, hvis han opfører sig som en bølge, men ikke hvis han opfører sig som en partikel. Sandsynligheden for at et objekt kan tunnelere afhænger af dets masse. Fænomenet kan bl. for eksempel, observeres meget lettere for lette elektroner end for relativt tunge kulstofatomer.

Forskerne undersøgte tunnelreaktionen ved hjælp af Cope-omlejringen, en kemisk reaktion, der har været kendt i næsten 80 år. Udgangsmaterialet for reaktionen, en kulbrinteforbindelse, er identisk med produktmolekylet. Den samme kemiske forbindelse eksisterer således før og efter reaktionen. Imidlertid, bindingerne mellem kulstofatomerne ændres under processen.

I deres eksperiment, de Bochum-baserede forskere markerede et af kulstofatomerne i molekylet:De erstattede brintatomet bundet til det med brintisotopen deuterium, en tungere version af brint. Molekyler før og efter Cope-omlejringen adskilte sig med hensyn til fordelingen af ​​deuterium. På grund af disse forskellige fordelinger, begge molekylære former havde lidt forskellige energier.

Reaktionen burde faktisk ikke finde sted

Ved stuetemperatur, denne forskel har ringe virkning; på grund af den rigelige forsyning af termisk energi i det omkringliggende område, begge former forekommer lige hyppigt. Imidlertid, ved meget lave temperaturer under ti Kelvin, én molekyleform er væsentligt foretrukket på grund af energiforskellen. Ved overgang fra stuetemperatur til ekstremt lave temperaturer, balancen skal bevæge sig fra en ligelig fordeling af begge former til en ujævn fordeling.

Denne overgang kan ikke imidlertid, opstå på den klassiske måde – da, når man omarrangerer fra den ene form til den anden, en energibarriere skal overvindes, selvom molekylet ikke selv har energi til dette, og det kolde miljø heller ikke er i stand til at levere det. Selvom den nye balance ikke bør ske på den klassiske måde, forskerne var ikke desto mindre i stand til at demonstrere det i forsøget. Deres konklusion:Cope-omlægningen ved ekstremt lave temperaturer kan kun forklares med en tunneleffekt. De gav således eksperimentelt bevis for en forudsigelse lavet af Weston Borden for over fem år siden baseret på teoretiske undersøgelser.

Opløsningsmidler påvirker evnen til at tunnelere

På Ruhr-Universität, Wolfram Sander udfører forskning i klyngen af ​​ekspertise Ruhr Explores Solvation, hvor han beskæftiger sig med interaktioner mellem opløsningsmidler og opløste molekyler. "Det er kendt, at opløsningsmidler påvirker evnen til at tunnelere, " siger kemikeren. "Men, hidtil er det ikke blevet forstået, hvordan de gør det. "