Kemister vid Ruhr-Universität Bochum har funnit bevis på att kolatomer inte bara kan bete sig som partiklar utan också som vågor. Denna kvantmekaniska egenskap är välkänd för ljuspartiklar som elektroner eller väteatomer. Dock, forskare har bara sällan observerat vågpartikeldualiteten för tunga atomer, såsom kol. Teamet under ledning av prof Dr Wolfram Sander och Tim Schleif från ordföranden för organisk kemi II tillsammans med professor Dr Weston Thatcher Borden, University of North Texas, rapporter i tidningen Angewandte Chemie .

"Vårt resultat är ett av få exempel som visar att kolatomer kan visa kvanteffekter, "säger Sander. Specifikt, forskarna observerade att kolatomer kan tunnla. De övervinner därmed en energisk barriär, även om de faktiskt inte har tillräckligt med energi för att göra det.

Sällan observerad för tunga partiklar

Wolfram Sander förklarar paradoxen:"Det är som om en tiger har lämnat sin bur utan att hoppa över staketet, vilket är alldeles för högt för honom. Men han kommer fortfarande ut. "Detta är bara möjligt om han beter sig som en våg, men inte om han beter sig som en partikel. Sannolikheten för att ett objekt kan tunnelera beror på dess massa. Fenomenet kan, till exempel, observeras mycket lättare för lätta elektroner än för relativt tunga kolatomer.

Forskarna undersökte tunnelreaktionen med hjälp av Cope -omläggningen, en kemisk reaktion som har varit känd i nästan 80 år. Utgångsmaterialet för reaktionen, en kolväteförening, är identisk med produktmolekylen. Samma kemiska förening finns alltså före och efter reaktionen. Dock, bindningarna mellan kolatomerna förändras under processen.

I deras experiment, de Bochum-baserade forskarna markerade en av kolatomerna i molekylen:De ersatte den väteatom som är bunden till den med väteisotopen deuterium, en tyngre version av väte. Molekyler före och efter Cope -omorganisationen skilde sig åt när det gällde fördelningen av deuterium. På grund av dessa olika fördelningar, båda molekylformerna hade lite olika energier.

Reaktion borde faktiskt inte äga rum

Vid rumstemperatur, denna skillnad har liten effekt; på grund av den rikliga tillgången på termisk energi i det omgivande området, båda formerna förekommer lika ofta. Dock, vid mycket låga temperaturer under tio Kelvin, en molekylform föredras avsevärt på grund av energiskillnaden. Vid övergång från rumstemperatur till extremt låga temperaturer, balansen måste gå från en jämn fördelning av båda formerna till en ojämn fördelning.

Denna övergång kan inte, dock, förekomma på det klassiska sättet - eftersom, vid omarrangemang från en form till den andra, en energibarriär måste övervinnas, även om molekylen själv inte har energi för detta och den kalla miljön inte heller kan tillhandahålla den. Även om den nya balansen inte borde ske på det klassiska sättet, forskarna kunde ändå visa det i experimentet. Deras slutsats:Cope -omläggningen vid extremt låga temperaturer kan bara förklaras av en tunneleffekt. De gav därmed experimentella bevis för en förutsägelse som Weston Borden gjorde för över fem år sedan baserat på teoretiska studier.

Lösningsmedel påverkar förmågan att tunnla

På Ruhr-Universität, Wolfram Sander bedriver forskning i cluster of excellence Ruhr Explores Solvation, där han handlar om interaktioner mellan lösningsmedel och upplösta molekyler. "Det är känt att lösningsmedel påverkar förmågan att tunnelera, "säger kemisten." Men hittills har man inte förstått hur de gör det. "