Är det ett UFO? Nej. Det är sannolikhetsfördelningen för en roterande vätemolekyl som är instängd i en organisk klathratbur. Upphovsman:Tim Strobel.
Ett team av forskare inklusive Carnegies Tim Strobel och Venkata Bhadram rapporterar nu oväntat kvantbeteende hos vätemolekyler, H 2 , fångade i små burar gjorda av organiska molekyler, visar att burens struktur påverkar beteendet hos molekylen som är fängslad inuti den.
En detaljerad förståelse av fysiken hos enskilda atomer som interagerar med varandra på mikroskopisk nivå kan leda till upptäckten av nya framväxande fenomen, hjälpa till att styra syntesen av nya material, och även hjälpa framtida läkemedelsutveckling.
Men i atomskala, det klassiska, sk Newtonian, fysikregler som du lärde dig i skolan gäller inte. I arenan för de ytterst små, olika regler, styrs av kvantmekanik, behövs för att förstå interaktioner mellan atomer där energi är diskret, eller icke-kontinuerlig, och där positionen i sig är osäker.
Forskargruppen-inklusive Anibal Ramirez-Cuesta, Luke Daemen, och Yongqiang Cheng från Oak Ridge National Laboratory, liksom Timothy Jenkins och Craig Brown från National Institute of Standards and Technology-använda spektroskopiska verktyg, inklusive den toppmoderna oelastiska neutronspektrometern kallad VISION vid Spallation Neutron Source, att undersöka dynamiken på atomnivå för en speciell typ av molekylär struktur som kallas ett klatrat.
Clathrates består av en gitterstruktur som bildar burar, fånga andra typer av molekyler inuti, som ett fängelse i molekylär skala. Den klathrat teamet studerade, kallas β-hydrokinon, bestod av burar gjorda av organiska molekyler som fångar H 2 . Bara en enda H 2 molekyl finns i varje bur, så att de isolerade molekylernas kvantbeteende kunde undersökas i detalj.
"Praktiska exempel på isolerade kvantinfluerade partiklar som är fångade i väldefinierade utrymmen ger möjlighet att sondra dynamik under förhållanden som närmar sig simuleringsliknande perfektion, "Förklarade Strobel.
Forskargruppen kunde observera hur vätemolekylen skramlade och roterade i buren. Förvånande, den observerade rotationsrörelsen var olik den hos H 2 fångade i relaterade system där molekyler kan rotera nästan fritt i alla riktningar.
"Beteendet vi observerade här liknar beteendet hos H 2 molekyler som fäster vid en metallyta, "Strobel förklarade." Det är första gången detta beteende, känd av fysiker som en tvådimensionell hindrad rotor, har observerats för väte fångat i ett molekylärt klatrat. "
Det visar sig att den lokala strukturen för klathratburet i hög grad påverkar dynamiken hos H 2 , orsakar en preferens för rotation i två dimensioner trots att det inte finns några kemiska bindningar inblandade. Förutom de grundläggande insikterna, denna upptäckt kan ha viktiga konsekvenser för utformningen av vätelagringsmaterial som kan fånga H 2 för energi- och transportapplikationer.
