دانشمندان برای اولین بار به نوعی از اندازه گیری دست یافتند که با استفاده از آن می توانند واکنش های تونل زنی در شیمی مولکولی را مدل سازی کنند.
به گزارش تکناک،پیش بینی واکنش های تونل زنی در شیمی بسیار دشوار است. توصیف دقیق مکانیک کوانتومی واکنش های شیمیایی با بیش از سه ذره سخت و با بیش از چهار ذره تقریبا غیرممکن است. نظریه پردازان، این واکنش ها را با فیزیک کلاسیک شبیه سازی می کنند و باید اثرات کوانتومی را نادیده بگیرند. اما حد و مرز این توصیف کلاسیک از واکنش های شیمیایی که فقط می تواند تقریبی ارائه شود، کجاست؟
رونالد وستر از دپارتمان فیزیک یون و فیزیک کاربردی در دانشگاه اینسبروک، مدت‌هاست که می خواهد این مرز را کشف کند. این فیزیکدان تجربی می گوید که برای انجام این کار، به آزمایشی نیاز داریم که امکان اندازه گیری بسیار دقیق را فراهم کند و همچنان بتواند آن را به صورت مکانیک کوانتومی توصیف کند. وستر به یاد می آورد که این ایده 15 سال پیش در گفتگو با همکارش در کنفرانسی در ایالات متحده به ذهنش خطور کرد. او می خواست اثر تونل مکانیک کوانتومی را در یک واکنش بسیار ساده ردیابی کند.
از آنجایی که اثر تونل، واکنش را بسیار بعید و در نتیجه کند می کند، مشاهده تجربی آن فوق العاده دشوار است. با این حال، پس از چندین مرتبه تلاش، اعضای تیم وستر برای اولین بار موفق به مشاهده تجربی اثر تونل در واکنش‌های شیمیایی شدند، که در شرح آن در شماره فعلی مجله Nature گزارش شده است.
پیشرفت پس از 15 سال تحقیق
تیم رولند وستر، هیدروژن را که ساده ترین عنصر در جهان است، برای آزمایش خود انتخاب کردند. آن ها دوتریوم (ایزوتوپ هیدروژن) را به یک تله یونی وارد کردند، آن را خنک کردند و سپس تله را با گاز هیدروژن پر کردند. به دلیل دمای بسیار پایین، یون های دوتریوم با بار منفی، انرژی لازم برای واکنش با مولکول های هیدروژن را به روش معمولی ندارند. با این حال، در موارد بسیار نادر، هنگامی که این دو با هم برخورد می کنند، واکنشی رخ می دهد.
رابرت وایلد، نویسنده اول این مطالعه، توضیح می‌دهد که این اتفاق به دلیل اثر تونل رخ می دهد. بدین صورت که مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه می دهد تا به دلیل خواص موج مکانیکی کوانتومی خود از سد انرژی عبور کنند و در ادامه یک واکنش رخ می دهد. در آزمایش خود، تیم تحقیقاتی واکنش های احتمالی را در حدود 15 دقیقه در تله گرفتار می کنند و سپس مقدار یون های هیدروژن تشکیل شده را تعیین می کنند. با توجه به تعداد یون های تشکیل شده، می توان استنباط کرد که هر چند وقت یکبار یک واکنش رخ داده است.
در سال 2018، فیزیکدانان نظری محاسبه کرده بودند که در این سیستم، احتمال وقوع تونل سازی کوانتومی، تنها یک مورد از هر صد میلیارد برخورد است. این بسیار نزدیک با نتایج اندازه گیری شده در اینسبروک است و پس از 15 سال تحقیق، برای اولین بار یک مدل نظری دقیق را برای اثر تونل زنی در یک واکنش شیمیایی تایید می کند.
پایه ای برای درک بهتر
واکنش های شیمیایی دیگری نیز وجود دارد که ممکن است از اثر تونل استفاده کنند. برای اولین بار، اکنون نوعی از اندازه گیری در دست داریم که در تئوری علمی نیز به خوبی قابل درک است. بر این اساس، تحقیقات می توانند مدل‌های نظری ساده تری را برای واکنش های شیمیایی ایجاد کنند و آن ها را بر روی واکنشی که اکنون با موفقیت نشان داده شده است، آزمایش کنند.
از اثر تونل، به عنوان مثال، در میکروسکوپ تونلی روبشی و در حافظه های فلش استفاده می شود. این امر می تواند واپاشی آلفای هسته های اتمی را هم توضیح دهد. با گنجاندن اثر تونل، برخی از سنتزهای شیمی فضایی مولکول ها را در ابرهای تاریک بین ستاره ای نیز می توان توضیح داد. بنابراین، آزمایش تیم وستر، پایه و اساس درک بهتر بسیاری از واکنش‌های شیمیایی را ایجاد می کند.
