Нове квантове розуміння ось-ось переверне хімію з ніг на голову
Повністю нові відкриття
В світі квантових дивацтв феномен нерозрізненості, неможливість розрізнення двох квантових частинок залишається помітним. Суперпозиція є однією з основних причин нерозрізненості, оскільки немає надійного способу блокувати точне положення квантової частинки. Це, в свою чергу, не дозволяє дізнатися, яка саме частка, коли дві квантові частинки взаємодіють в одному і тому ж місці. Це призводить до екзотичних поводженням часток, особливо при низьких температурах. У цих умовах поведінкові якості частинок можуть бути схожі один на одного, викликаючи такі явища, як конденсати Бозе-Ейнштейна і надтекучість.
Хімія, однак, вимагає відносно високих температур, які змушують більшість речовин скинути свої квантові властивості. Ось чому традиційно підходили до нерозрізненої фізики і хімії, як ніби вони були абсолютно різними, дозволяючи хімікам з упевненістю ігнорувати наслідки квантової нерозрізненості. Однак дослідники Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі Метью Фішер і Лео Радзіховський повертають область хімії на голову, доводячи, що ця впевненість була недоречною.
Пара вперше продемонструвала, що навіть при звичайних температурах квантова непомітність відіграє значну роль в деяких хімічних процесах. Це означає, що непомітність, швидше за все, викликає абсолютно нові хімічні явища, такі як поділ ізотопів, а також може давати більш докладні пояснення для погано понятих явищ, таких як реактивні види кисню і їх підвищена хімічна активність. Квантова когерентність атомних ядер становить особливий інтерес для команди.
Незважаючи на їх узгодженість, ядерні спини легко з'єднуються з іншими фізичними станами. Коли відбувається зчеплення, непомітність і її властивості більше не обмежуються ядрами, замість цього вони впливають на всю молекулу. На думку Фішера і Радзиховського, цей ефект особливо сильний в невеликих симетричних молекулах, таких як вода. Це пов'язано з тим, що симетрія контролює, які зміни можливі для молекул при взаємодії спінів ядер, тому молекула обмежена взаємодією в умовах з аналогічно симетричними спинами. Кінцевим результатом є спін-ізомери, різні розташування однієї і тієї ж молекули зі спинами, що рухаються разом або в протилежних напрямках.
Центральна наука, що розвивається
Такі речі, як спін-ізомери і симетрія, важливі в хімії, тому що багато реакції залежать від того, наскільки молекули можуть точно відповідати один одному. Фішер і Радзіховський продемонстрували, що квантова непомітність змінює спосіб поєднання молекул, потім квантова непомітність запобігає реакції, які не досягають симетрії між ядрами. Вони також показали, що пара-молекули з їх великим діапазоном можливих симетричних збігів обов'язково більш реактивні, ніж орто-молекули.
Це дослідження вплине на ферментативний каталіз. Водень, наприклад, схильний до впливу квантової нерозрізненості і також є центральним у роботі багатьох ферментів. Це легше прогнозувати, чим перевіряти, оскільки важко відокремити орто- і пара-версії молекул.
Фішер і Радзіховський також вважають, що квантова непомітність буде впливати на фракціонування ізотопів, надаючи йому новий механізм і пропонуючи розуміння реактивних видів кисню і їх підвищеної хімічної активності, не кажучи вже про біохімічні молекулах в цілому. Тестування цих прогнозів може бути важкою битвою, але розуміння деяких з найбільш критичних і тонких явищ в хімії буде коштувати.
Література: Огляд технології MIT, arXiv.org
