I molekyler, det finns vissa grupper av atomer som kan rotera. Denna rörelse sker under påverkan av slumpmässiga stimuli från omgivningen, och är inte kontinuerlig, men förekommer i hopp. Man tror allmänt att sådana hopp sker på ett sätt som är typiskt för klassiska objekt, till exempel ett fläktblad knuffat av ett finger. Kemister från instituten vid den polska vetenskapsakademien i Warszawa har, dock, observerade rotationer som följer de icke-intuitiva reglerna i kvantvärlden. Det visar sig att under lämpliga förhållanden, kvantrotationer kan mycket väl efterlikna normala, klassisk rotation.

Professor Slawomir Szymanski från Institute of Organic Chemistry vid polska vetenskapsakademien (IOC PAS) i Warszawa är säker på att mycket mer exotiska och icke-intuitiva fenomen av kvantkaraktär är ansvariga för några av effekterna som observeras i molekyler. I åratal, han har utvecklat en kvantmodell för hopprotationer av hela grupper av atomer i molekyler. Szymanskis teoretiska arbete har just hittat ytterligare bekräftelse i experiment som utförts vid Institute of Physical Chemistry of the PAS (IPC PAS) av en grupp ledd av Dr. Piotr Bernatowicz, och beskrivs i Journal of Chemical Physics .

"Inom kemi, kvantmekanik används nästan uteslutande för att beskriva rörelsen hos små elektroner. Atomkärnor, även de som är så enkla som vätgasens enda protonkärna, anses vara för stora och massiva för att utsättas för kvanteffekter. I vårt arbete, vi bevisar att denna bekväma men mycket förenklade syn äntligen måste börja förändras, åtminstone i förhållande till vissa situationer, "säger professor Szymanski.

Professor Szymanskis kvantrotationsmodell beskriver rotationen av atomgrupper som består av identiska element, t.ex. väteatomer. Den senaste publikationen, avslutat i samarbete med Dr. Bernatowicz grupp, gäller CH3 -metylgrupper. I deras struktur, dessa grupper påminner om små propeller. Det finns tre väteatomer runt kolatomen med jämna mellanrum. Det har varit känt länge att metylgrupperna som en kolatom är anslutna till molekylerna kan göra rotationshopp. Alla väteatomer kan samtidigt rotera 120 grader runt kolet. Dessa rotationer har alltid behandlats som ett klassiskt fenomen där vätebollar helt enkelt hoppar in i de intilliggande "brunnarna" som just har lämnat sina grannar.

"Med hjälp av kärnmagnetisk resonans, vi utförde svåra men exakta mätningar på pulver av enkristaller av trifenyletan, en förening av molekyler som var och en innehåller en metylgrupp. Resultaten lämnar inget utrymme för tvivel. Formerna på kurvorna som vi spelade in, så kallade pulverresonansspektra, kan bara förklaras med antagandet att kvantfenomen är ansvariga för metylgruppernas rotationer, säger Dr. Bernatowicz.

Mätningarna av metylgruppernas rotation med kärnmagnetisk resonans krävde exakt kontroll av temperaturen hos de pulveriserade ämnena. Detta beror på att rotationens kvantart bara blir tydligt synligt i ett smalt temperaturintervall. När temperaturen är för låg, rotationen stannar, och när det är för högt, kvantrotationerna blir oskiljbara från de klassiska. Experimentets temperaturer vid IPC PAS, där rotationernas kvantnatur var tydligt synlig, varierade från 99 till 111 Kelvin.

En ny bild av den kemiska verkligheten framgår av denna forskning. CH3 -gruppen i molekylen är inte längre en enkel rotor som består av en kolkärna och tre styvt bundna väteatomer. Dess verkliga natur är annorlunda - ingen väteatom intar en separat position i rymden. Vad mer, var och en av dem blandas kontinuerligt på ett kvantsätt med de andra två. Under rätt förutsättningar, metylgruppen, även om den är uppbyggd av många atomer, visar sig vara en singel, en sammanhängande kvantenhet som inte liknar något för oss känt föremål från vardagen.

En beskrivning av klassisk atomrotatorrörelse kan konstrueras med en konstant som mäter medelfrekvensen för dess hopp. Det visar sig att i kvantmodellen, det måste finnas två sådana konstanter och de beror på temperaturen. När temperaturen stiger, båda konstanterna får ett liknande värde och metylgruppens rotationer börjar likna klassiska rotationer.

"I våra mätningar, vi observerade verkligen den gradvisa omvandlingen av metylgruppernas kvantrotationer till rotationer som är svåra att skilja från de klassiska. Denna effekt bör förstås på lämpligt sätt. Kvantfenomen slutade inte fungera, men på ett visst sätt imiterade klassiska hopp, "förklarar Dr Bernatowicz.

Forskare från IPC PAS och IOC PAS hade redan bekräftat riktigheten av kvantrotationsmodellen i experiment med metylgrupper (bland annat i molekyler av dimetyltriptycen, där dessa effekter åtföljdes av dynamiska förändringar i kristallgitteret). Dock, förutsägelser om rotationerna av en mycket mer komplex atomstruktur, bensenringen C6H6, vänta på experimentell verifiering.

"Vår forskning är av grundläggande karaktär, och det är svårt att omedelbart tala här om specifika applikationer, " noterar prof. Szymanski, lägga till, "Det är värt att betona, dock, att kvanteffekter anses vara extremt känsliga för miljön. Kemister och fysiker antar att i mycket täta miljöer, de förstörs av de termiska rörelserna i omgivningen. Vi observerar kvanteffekter vid relativt höga temperaturer, dessutom i kondenserade miljöer:vätskor och kristaller. Resultaten vi får bör därför vara en varning för kemister eller fysiker som gillar förenklade tolkningar. "

Imitation av klassisk fysik med kvantfenomen, dessutom i en tät och relativt varm miljö, är en överraskande effekt som bör uppmärksamma, bland andra, konstruktörerna av nanomaskiner. Genom att designa mindre molekylära enheter, de kan omedvetet flytta från den klassiska fysikens värld till kvantfenomenens värld. Under nya förutsättningar, driften av nanomaskiner kan plötsligt sluta vara förutsägbar.