Химия часто представляется как почти механическая забава, соединяющая атомные шары с палками (связи). Профессор Славомир Сзыманский от Института Органической химии польской Академии наук (ПЕРВЕНСТВО МОК) в Варшаве, однако, уверен, что в действительности намного более экзотические и неинтуитивные явления квантовой природы ответственны за некоторые эффекты, наблюдаемые в молекулах.
Он имеет в течение многих лет, развивая описание модели в квантовых терминах вращения скачка целых групп атомов в молекулах. Теоретическая работа профессора Сзыманского только что сочла дальнейшее подтверждение в экспериментах проводимым в Институте Физической Химии ПЕРВЕНСТВА (ПЕРВЕНСТВО IPC) группой во главе с доктором Петром Бернатовичем и описала в Журнале Химической Физики.«В химии квантовая механика используется почти исключительно, чтобы описать движение крошечных электронов.
Атомные ядра, даже столь же простые как ядро водорода, сделанного из единственного протона, считают слишком большими и крупными, чтобы подвергнуться квантовым эффектам. В нашей работе мы доказываем, что это удобное, но очень упрощенное представление должно наконец начать изменяться, по крайней мере относительно определенных ситуаций», говорит профессор Сзыманский.Квантовая модель вращения профессора Сзыманского описывает вращение атомных групп, состоявших из идентичных элементов, например, водородных атомов.
Последняя публикация, законченная в сотрудничестве с группой доктора Бернатовича, касается групп метила CH3. В их структуре эти группы напоминают о крошечных пропеллерах: есть три водородных атома вокруг атома углерода, располагаемого в равных интервалах. Было известно в течение долгого времени, что группы метила, связанные атомом углерода с молекулами, могут сделать вращательные скачки: все водородные атомы могут одновременно вращать 120 градусов вокруг углерода.
Эти вращения всегда рассматривали как классическое явление, в котором водородные ‘шары’ просто вскакивают в смежные ‘скважины’, которые были просто освобождены их соседями.«Используя ядерный магнитный резонанс, мы выполнили трудные но точные измерения на порошках единственных кристаллов triphenylethane, комплексе молекул каждый содержащий одну группу метила. Результаты не оставляют места для сомнения. Формы кривых, которых мы сделали запись, так называемые порошковые спектры резонанса, могут только быть объяснены предположением, что квантовые явления ответственны за вращения групп метила», говорит доктор Бернатович.
Измерения вращения групп метила ядерным магнитным резонансом потребовали точного контроля температуры порошкообразных веществ. Это вызвано тем, что квантовая природа вращения только становится явно видимой в узком диапазоне температур.
Когда температура слишком низкая, остановки вращения, и когда это слишком высоко, квантовые вращения становятся неотличимыми от классических. Температуры экспериментов в ПЕРВЕНСТВЕ IPC, в котором квантовая природа вращений была явно видима, колебались от 99 до 111 Келвина.
Новая картина химической действительности появляется из этого исследования. Группа CH3 в молекуле больше не простой ротор, состоявший из углеродного ядра и трех твердо приложенных водородных атомов.
Его фактический характер отличается: в нем никакой водородный атом не занимает отдельное положение в космосе – кроме того, каждый из них все время смешивается квантовым способом с другими двумя. Группа метила, хотя построено из многих атомов, при правильных условиях оказывается единственным, последовательным квантом, являющимся, который не напоминает объекта, известного нам от повседневного мира.Описание классического атомного движения вращающего устройства может быть построено, используя одно постоянное измерение средней частоты его скачков. Оказывается, что в квантовой модели, должно быть две таких константы, и они зависят от температуры.
Когда температура повышается, обе константы берут подобную стоимость, и вращения группы метила начинают напоминать классические вращения.«В наших измерениях мы действительно наблюдали постепенное преобразование квантовых вращений групп метила во вращения, трудные различать от классических.
Этот эффект должен быть соответственно понят. Квантовые явления не прекратили функционировать, но определенным способом подражал классическим скачкам», объясняет доктор Бернатович.Ученые из ПЕРВЕНСТВА IPC и МОК, PAS уже ранее подтвердила правильность квантовой модели вращения в экспериментах с группами метила (среди других в молекулах этана triptycene, куда эти эффекты сопровождались динамическими изменениями в кристаллической решетке). Однако предсказания относительно вращений намного более сложного строения атома, бензольного кольца C6H6, ждут экспериментальной проверки.
«Наше исследование имеет основной характер, и трудно говорить здесь немедленно об определенных заявлениях», отмечает профессор Сзыманский, добавляющий: «Стоит подчеркнуть, однако, что квантовые эффекты считаются чрезвычайно чувствительными к окружающей среде. Химики и физики предполагают, что в очень плотной окружающей среде они разрушены тепловыми движениями среды. Мы наблюдаем квантовые эффекты при относительно высоких температурах, кроме того в сжатой окружающей среде: жидкости и кристаллы.
Результатами, которые мы получаем, должно поэтому быть предупреждение химикам или физикам, которым нравятся упрощенные интерпретации».Имитация классической физики квантовыми явлениями, кроме того в плотной и относительно теплой окружающей среде, является удивительным эффектом, который должен привлечь внимание, среди других, конструкторов наномашин.
Проектируя молекулярные устройства меньшего размера и меньшего размера они должны начать понимать, что в момент, который трудно предсказать, что они могут невольно двинуться от мира классической физики к миру квантовых явлений. При новых условиях эксплуатация наномашин могла внезапно прекратить быть столь же предсказуемой как, например, механические часы.