På många sätt, att förstå kvantmekaniska ekvationer i ett försök att förutsäga vad som kommer att hända mellan reaktanter som atomer och molekyler som resulterar i komplexa fenomen inom kemin kan vara ansträngande, och häpnadsväckande för många. Än, utan de teoretiska insikterna, experimentella kemister skulle till stor del inte kunna förstå vad de observerar.

Forskare vid University of New Mexico, ledd av den framstående professorn i kemi Hua Guo, har arbetat med experimentalister för att hjälpa dem att få en förståelse genom att tillhandahålla teoretiska tolkningar av experimentella observationer.

"När forskare undersöker molekyler ser de spektrala egenskaper, men det är väldigt svårt att tolka dessa egenskaper eftersom de bara är linjer i spektrumet, ", sa Guo. "Det är där vi kommer in och ger en teoretisk tolkning av deras experimentella observationer."

En sådan gemensam studie av Guos team publicerades nyligen med en grupp forskare vid Cal-Berkeley i den prestigefyllda tidskriften Naturkemi med titeln "Feshbach-resonanser i utgångskanalen för F + CH ₃ OH→HF + CH ₃ O-reaktion observerad med hjälp av övergångstillståndsspektroskopi." Att karakterisera övergångstillståndet för en reaktion har länge varit ett mål för både experimentella och teoretiska fysikaliska kemister sedan 1930-talet. Detta beror på att övergångstillståndet styr hur kemiska bindningar bildas och bryts under en kemisk reaktion Övergångstillståndet är ett mycket kortlivat komplex, bara några femtosekunder, miljarder miljarddelar av sekunder.

"För att kontrollera en kemisk reaktion, du måste förstå hur det fortsätter genom övergångstillståndet, ", sa Guo. "Du måste designa smarta sätt att göra det."

Guos medarbetare på Berkeley gör först en stabil anjon. Det händer att dessa negativa joner vanligtvis har en geometri som är mycket nära övergångstillståndet för motsvarande neutrala reaktioner, som visas i figuren, forskare kan börja med denna anjon och ta bort elektronen från dessa molekyler med hjälp av ett laserljus.

"Du använder en laser för att skjuta molekylen och den får elektronen utsparkad, sade Guo. denna molekyl är placerad i övergångstillståndet och du ser den falla isär. Det är så de upptäcker övergångstillståndet. De ser spektrala egenskaper, men det är svårt att tolka dem. Det är där vi kommer in och ger en teoretisk tolkning av deras experimentella observation."

Kemi styrs av kvantmekanik, så forskare löser den kvantmekaniska ekvationen som kallas Schrodinger-ekvationen, vilket är motsvarigheten till Newtons ekvation i den lilla världen – långt ner under – elektroner, atomer, molekyler – de följer faktiskt inte Newtons lag, de följer Schrodingers lag så att teori är vad vi kallar kvantmekanik. Den kvantmekaniska tolkningen berättar för forskare många insikter.

"Vi kan faktiskt förutsäga hur dessa kvanttillstånd ser ut och det är vad de ser i experiment, "Sa Guo. "Som det visar sig, vår teori kan faktiskt peka ut vad spektraltopparna kommer ifrån. I detta fall, dessa toppar motsvarar de så kallade Feshbach-resonanserna."

I den andra uppsatsen med titeln, "Kodning av vinylidenisomerisering i dess anjonspektrum, " publicerad i en annan topptidskrift Vetenskap , verket var utformat för att förstå den kvantmekaniska naturen hos en viss typ av reaktion som kallas isomerisering, där man går från en form av en molekyl till en annan. Tillvägagångssättet som experimentalisten använde är detsamma som den andra uppsatsen.

Detta är en unimolekylär reaktion som involverar en enda molekyl, vinyliden. Det fina med den här reaktionen är att du kan se de två vätena kopplade till ett kol i en isomer. Med den andra isomeren, ett väte är kopplat till vart och ett av de två kolen, så det är reaktionen. Oorganisk kemi, det kallas ett väteskifte på 1:2.

"När molekylen isomeriserar, på något sätt måste dessa två väten röra sig runt kolramverket och göra en vibrationsrörelse. Det är därför viktigt att ta reda på vilket vibrationsläge som hjälper denna reaktion att äga rum. Det är nyckelpunkten. Kanske mer intressant, isomeriseringen går inte över barriären, det går faktiskt under barriären. Det är vad som kallas tunnling, som om det finns en tunnel för väteatomerna att gå igenom.

"Tunnling är vad forskare kallar en kvantmekanisk egenskap eftersom väte är väldigt lätt, det är kvantmekaniskt, och det kan ibland tunnla. Vi har bevis som visar det."

Detta isomeriseringsproblem har funnits länge, Guo förklarade. Men i grunden förstods det inte förrän alldeles nyligen när denna tidning publicerades.

"Det är betydelsen där vi överbryggade klyftan och sa till folk "här är exakt vad som händer - det involverar tunnling och det involverar ett gungande läge för vibrationen, " Sa Guo. "Jag skulle vilja se det här som när du åker skidor. Man går upp till en puckel och sedan går man hela vägen nedför. Energimässigt är det vad som händer. Det knepiga med molekyler är att det inte går över puckeln, den går under och tunnlar igenom. Eftersom dessa saker är kvantmekaniska, det är en överraskande effekt."