«Наш результат — один из немногих примеров, показывающих, что атомы углерода могут проявлять квантовые эффекты», — говорит Сандер. В частности, исследователи заметили, что атомы углерода могут туннелировать.
Таким образом, они преодолевают энергетический барьер, хотя на самом деле у них недостаточно энергии для этого.Редко наблюдается для тяжелых частицВольфрам Сандер объясняет парадокс: «Это как если бы тигр вышел из клетки, не перепрыгнув через забор, который для него слишком высок. Но он все равно выбрался».
Это возможно только в том случае, если он ведет себя как волна, но не как частица. Вероятность туннелирования объекта зависит от его массы.
Это явление, например, гораздо легче наблюдать для легких электронов, чем для относительно тяжелых атомов углерода.Исследователи исследовали туннельную реакцию с помощью перегруппировки Коупа, химической реакции, известной уже почти 80 лет.
Исходный материал для реакции, углеводородное соединение, идентичен молекуле продукта. Таким образом, одно и то же химическое соединение существует до и после реакции.
Однако связи между атомами углерода в процессе меняются.В своем эксперименте исследователи из Бохума отметили один из атомов углерода в молекуле: они заменили связанный с ним атом водорода на изотоп водорода дейтерий, более тяжелую версию водорода.
Молекулы до и после перегруппировки Коупа различались по распределению дейтерия. Из-за такого разного распределения энергии обеих молекулярных форм немного различались.Реакции на самом деле не должно быть
При комнатной температуре эта разница мало влияет; из-за обильного поступления тепловой энергии в окружающую среду обе формы встречаются одинаково часто. Однако при очень низких температурах, ниже десяти Кельвинов, предпочтительна одна форма молекулы из-за разницы энергий. При переходе от комнатной температуры к чрезвычайно низким температурам баланс должен сместиться от равного распределения обеих форм к неравномерному распределению.Однако этот переход не может происходить классическим способом — поскольку при перестройке из одной формы в другую необходимо преодолевать энергетический барьер, хотя сама молекула не имеет для этого энергии и холодная среда тоже не может. предоставить это.
Хотя новый баланс не должен происходить классическим способом, исследователи тем не менее смогли продемонстрировать это в эксперименте. Их вывод: перегруппировку Коупа при экстремально низких температурах можно объяснить только туннельным эффектом.
Таким образом, они предоставили экспериментальные доказательства предсказания, сделанного Уэстоном Борденом более пяти лет назад на основе теоретических исследований.Растворители влияют на способность туннеля
В Ruhr-Universitat Вольфрам Сандер проводит исследования в кластере передового опыта Ruhr Explores Solvation, где он занимается взаимодействием растворителей и растворенных молекул. «Известно, что растворители влияют на способность туннеля», — говорит химик. «Однако до сих пор непонятно, как они это делают».