Обычно мы получаем наши экспериментальные знания о квантовых явлениях из экспериментов, проводимых с использованием сложного оборудования в экзотических условиях: при чрезвычайно низких температурах и в вакууме, изолируя квантовые объекты от мешающего влияния окружающей среды. Ученые из Института физической химии Польской академии наук (IPC PAS) в Варшаве под руководством профессора Яцека Валюка и группы профессора Чеслава Радзевича с физического факультета Варшавского университета (FUW) только что продемонстрировали это. из наиболее впечатляющих квантовых явлений — туннелирования — имеет место даже при температурах выше точки кипения воды.
Однако что особенно удивительно, так это тот факт, что наблюдаемый эффект применим к ядрам водорода, которые туннелируют в частицы, плавающие в растворе. Результаты измерений не оставляют сомнений: в исследуемой системе в условиях, характерных для нашей среды, туннелирование оказывается основным фактором, ответственным за химическую реакцию!«В течение некоторого времени химики привыкли к идее, что электроны в молекулах могут туннелировать.
Мы показали, что в молекуле также возможно туннелирование протонов, то есть ядер атомов водорода. Итак, у нас есть доказательство того, что Основная химическая реакция может происходить в результате туннелирования, а также в растворе и при комнатной температуре или выше », — поясняет проф.
Валюк.В своих экспериментах варшавские исследователи изучали отдельные молекулы порфицена (C20H14N4), изомера порфирина. Соединения, принадлежащие к этой группе, встречаются в природе, например, в крови человека, где они участвуют в переносе кислорода. Их молекулы имеют форму плоских углеродных колец с атомами водорода снаружи и четырьмя атомами азота внутри, расположенных в углах четырехугольника.
В пространстве, окруженном атомами азота, находятся два протона. Эти протоны могут перемещаться между атомами азота. Открытый вопрос заключался в том, делают ли они это классическим движением или туннелями.
Туннелирование — это следствие вероятностной природы квантовых объектов. В классическом мире, известном нам из повседневной жизни, объект всегда с полной вероятностью будет находиться в одном месте и, следовательно, с нулевой вероятностью во всех остальных. Не так в квантовом мире. Когда ничто не нарушает состояние элементарной частицы, атома или небольшой их группы, вероятность существования квантового объекта растворяется в пространстве.
Это явление приводит к впечатляющим эффектам. Когда человек хочет преодолеть стену, он должен взобраться на нее, то есть он должен усиленно увеличивать свою гравитационную энергию, пока она не станет больше, чем потенциальный барьер, установленный стеной.
Между тем, неопределенность квантового объекта означает, что его можно найти по ту сторону барьера, не увеличивая его энергию — просто «проходя сквозь него». Эффект происходит намного быстрее, чем при обычном перемещении в космосе, и с вероятностью, которая тем больше, чем меньше расстояние, на которое туннелирует объект.
Изучая время прыжков протона, можно определить, двигались ли они классическим путем или туннелировали.«Реальность менее ясна. Чем выше наш протон поднимается по энергетической лестнице порфицена, тем меньше ширина барьера, который необходимо преодолеть. В этом случае становится все более вероятным туннелирование.
Таким образом, все указывает на то, что до того, как протон успеет подняться на энергетический уровень позволяя ему классически преодолеть потенциальный барьер, он, как правило, все равно проходил через туннель », — объясняет профессор Валук.Преодолеть потенциальный барьер непросто. Когда мы снабжаем протоны в порфицене энергией, мы также вызываем различные колебания в самой молекуле.
Оказывается, из 108 возможных форм колебаний в молекуле порфицена одни увеличивают вероятность туннелирования, а другие уменьшают. Исследователи из Варшавы, финансируемые за счет грантов Польского национального научного центра, определили константы скорости химических реакций с участием порфицена в диапазоне температур от 20 до 400 Кельвинов, для протонных скачков, происходящих в самом низкоэнергетическом состоянии молекулы, и в одно из возбужденных колебательных состояний, способствующих туннелированию.
Таким образом были получены времена прыжков протонов между атомами азота. Эксперименты, проведенные на наборах холодных изолированных частиц, предполагали время в несколько пикосекунд (одна миллионная от одной миллионной секунды) — и именно такие времена наблюдались в экспериментах в Варшаве, проводимых доктором Петром Фита и докторантом Петром Чацкой из FUW. Измерения показывают, что в порфицене не только происходит туннелирование, но и ответственно даже при комнатной температуре! — не менее 80% прыжков протонов в центрах молекул.
Доминирующая роль туннелирования в ходе химической реакции и его зависимость от типа колебаний молекулы — это путь к невероятно точному контролю за ходом химических реакций. Этот вид химии, известный как химия с избирательной модификацией, был продемонстрирован ранее, но при очень низкой температуре. Открытие исследователей из IPC PAS и FUW вселяет надежду на то, что в будущем станет возможным точно контролировать реакции, происходящие также в условиях, типичных для нашей окружающей среды. Плавающие в растворе химические молекулы, предварительно возбужденные таким образом, чтобы повысить их реакционную способность, могут быть введены в состояние колебаний, которое значительно снижает их реактивность (или наоборот).
Конкретная реакция, возможно, одна из многих, происходящих в растворе, может затем включаться и выключаться по требованию путем небольших изменений количества энергии, подаваемой к молекулам выбранного соединения.«Туннелирование протонов в молекулах порфицена в растворе является впечатляющим доказательством того, что даже при комнатной температуре и в плотной среде чисто квантовый эффект может управлять протеканием химической реакции.
Но на этом сюрпризы не заканчиваются. У нас есть разумное подозрение, что в движениях двух протонов в порфицене, всегда прыгающих вместе, участвует еще одно экзотическое квантовое явление.
Тогда мир химии вокруг нас будет еще более интересным. Произойдет ли это — мы узнаем из дальнейших экспериментов, — говорит профессор Валук.
