Фтор только что нарушил квантовое правило. Когда его взрывают и запирают в замороженном неоне, он туннелирует между двумя состояниями.
Иллюстрация, показывающая различные атомы.
EzumeImages/iStock
Квантовое туннелирование — странное явление, при котором мельчайшие частицы умудряются проходить сквозь барьеры, преодолеть которые у них технически нет энергии.
Это как если бы человек подошел к запертой двери и вместо того, чтобы открыть ее, внезапно появился бы с другой стороны, не ломая ее и не обходя ее стороной.
До сих пор это явление в основном наблюдалось в самых маленьких частицах, таких как электроны, легких атомах, таких как водород, и иногда в кислороде и азоте. Однако впервые новое исследование показывает, что при правильных условиях фтор тоже может туннелировать.
Это новое открытие не только разрушает так называемую фторостену — давнее убеждение, что тяжелые атомы, такие как фтор, не должны туннелировать, — но и может изменить наше понимание химических реакций и разработку материалов и лекарств с использованием фтора.
Как сделать туннель из атома фтора?
Авторы начали свое исследование более десяти лет назад, изучая, как фтор ведет себя в связке с переходными металлами. Используя лазер, они взорвали атомы металла и фтора вместе, а затем заключили полученные соединения в матрицу замороженного неонового газа, охлажденного до –270°C.
Это позволило им заморозить молекулы на месте и изучить их с помощью инфракрасной (ИК) спектроскопии, метода, который раскрывает детали структуры и движения молекулы. Однако что-то странное продолжало появляться.
Один из обнаруженных ими ИК-сигналов не соответствовал ни одному известному соединению фторида металла. Фактически, казалось, что в нем вообще нет металла. После долгих раздумий и многих лет экспериментов они поняли, что рассматривают необычную молекулу, состоящую только из атомов фтора, а именно отрицательно заряженный ион с пятью атомами фтора, называемый F₅⁻.
Обычно атомы фтора настолько электроотрицательны и реакционноспособны, что объединение пяти из них в один ион должно было бы привести к его распаду, но этот оказался загадочно стабильным внутри неоновой матрицы.
Это было только начало. Команда заметила еще одну странность: ИК-сигнал этого иона F₅⁻ был разделен, как будто молекула переключалась между двумя формами.
Чтобы выяснить, почему, авторы исследования провели детальное квантово-механическое моделирование. Это моделирование показало, что центральный атом фтора не оставался на одном месте. На самом деле он туннелировал туда и обратно между двумя эквивалентными позициями в молекуле. В классической физике для этого потребовалось бы, чтобы атом преодолел энергетический барьер, чего фтор просто не мог сделать из-за своей массы.
Однако туннельный эффект позволил ему полностью обойти барьер. Такое поведение наблюдалось только у более легких атомов. Считалось, что фтор слишком тяжелый, но эксперименты и моделирование прекрасно согласуются, доказывая, что квантовое туннелирование для фтора не только возможно, но и наблюдается при правильных условиях.
Это может изменить квантовую химию
Это открытие открывает новую главу в квантовой химии. Оно показывает, что туннелирование — это не просто трюк для легких атомов; оно может быть более распространенным, чем мы думали, особенно когда молекулы находятся в плотно упакованных высокоэнергетических средах, таких как ион F₅⁻.
Это может помочь ученым лучше понять, как ведут себя определенные фторированные соединения, что важно во всем, от разработки лекарств до технологии аккумуляторов. Например, фторированные группы используются в лекарствах, чтобы помочь им лучше усваиваться в организме, а в аккумуляторах — для повышения эффективности.
Это также может иметь значение для понимания и контроля вредных соединений, таких как ПФАС, богатых фтором химикатов, известных тем, что они загрязняют воду и сопротивляются распаду. Если ученые научатся влиять на поведение туннелирования, они могут найти новые способы разрушения этих стойких загрязнителей или создания новых материалов на основе фтора, которые будут и эффективными, и более безопасными.
«Результаты исследования не просто расширяют наше понимание химических связей во фторированных соединениях. Они также предоставили нам новые инструменты для целенаправленного управления молекулярными реакциями — будь то исследование материалов, медицина или разработка новых технологий», — сказал доктор Карстен Мюллер, первый автор исследования и научный сотрудник Свободного университета Берлина.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Sourse: interestingengineering.com
