Strona główna Aktualności
Przyroda

W atomowych „śmigłach” zjawiska kwantowe potrafią imitować zwykłą fizykę

01.06.2017 Przyroda

Dr hab. Piotr Bernatowicz z Instytutu Chemii Fizycznej PAN i prof. dr hab. Sławomir Szymański z Instytutu Chemii Organicznej PAN wykazali, że efekty kwantowe mogą odpowiadać za pozornie klasyczne obroty grup atomowych w cząsteczkach. Źródło: IChF PAN, Grzegorz Krzyżewski

Niektóre grupy atomów w cząsteczkach mogą się obracać. Zwykle uważa się, że takie przeskoki zachodzą w sposób typowy dla obiektów klasycznych, takich jak śmigło wentylatora. Chemicy z instytutów PAN w Warszawie zaobserwowali takie rotacje przebiegające jednak według nieintuicyjnych reguł świata kwantów.

Chemię często przedstawia się jako niemal mechaniczną zabawę w łączenie kuleczek - atomów za pomocą patyczków - wiązań. Prof. Sławomir Szymański z Instytutu Chemii Organicznej PAN (IChO PAN) w Warszawie jest jednak pewien, że w rzeczywistości za część efektów obserwowanych w cząsteczkach odpowiadają znacznie bardziej egzotyczne i nieintuicyjne zjawiska o kwantowej naturze. Od lat rozwija on model opisujący w sposób kwantowy skokowe obroty całych grup atomów w cząsteczkach.

 

Prace teoretyczne prof. Szymańskiego znalazły właśnie kolejne potwierdzenie w eksperymentach zrealizowanych w Instytucie Chemii Fizycznej PAN (IChF PAN) w Warszawie przez grupę dr. hab. Piotra Bernatowicza, opisanych na łamach czasopisma „The Journal of Chemical Physics” - poinformował IChF PAN w przesłanym PAP komunikacie.

 

„Mechanikę kwantową w chemii stosuje się niemal wyłącznie do opisu ruchu maleńkich elektronów. Jądra atomowe, nawet tak proste jak zbudowane z pojedynczego protonu jądro wodoru, uchodzą za zbyt duże i masywne, by podlegać efektom kwantowym. W naszych pracach udowadniamy, że ten wygodny, lecz bardzo uproszczony pogląd trzeba wreszcie zacząć zmieniać, przynajmniej w odniesieniu do niektórych sytuacji” - mówi prof. Szymański.

 

Model kwantowych rotacji prof. Szymańskiego opisuje obroty grup atomowych zbudowanych z identycznych elementów, np. atomów wodoru. Najnowsza publikacja, zrealizowana we współpracy z grupą dr. Bernatowicza, dotyczy grup metylowych CH3. Grupy te budową przypominają maleńkie śmigła: wokół atomu węgla tkwią tu trzy atomy wodoru, rozmieszczone w równych odstępach od siebie. Od dawna było wiadomo, że przyczepione atomem węgla do cząsteczek, grupy metylowe mogą dokonywać rotacyjnych skoków: wszystkie atomy wodoru potrafią jednocześnie obrócić się o 120 stopni wokół węgla. Obroty te traktowano zawsze jako zjawisko klasyczne, w którym wodorowe „kulki” po prostu przeskakują w „dołki” obok, właśnie zwolnione przez sąsiadów.

 

„Za pomocą magnetycznego rezonansu jądrowego przeprowadziliśmy trudne, ale jednocześnie precyzyjne pomiary na proszkach z monokryształów trifenyloetanu, związku o cząsteczkach zawierających po jednej grupie metylowej. Wyniki nie pozostawiają wątpliwości. Kształty zarejestrowanych przez nas krzywych, tzw. proszkowych widm rezonansowych, można wytłumaczyć tylko przy założeniu, że za rotacje grup metylowych faktycznie odpowiadają zjawiska kwantowe” - mówi dr Bernatowicz.

 

Kwantowa natura obrotów staje się bowiem dobrze widoczna tylko w niewielkim zakresie temperatur. Gdy temperatura jest zbyt niska, rotacje ustają, gdy jest zbyt wysoka, obroty kwantowe stają się nierozróżnialne od klasycznych. Doświadczenia w IChF PAN, w których kwantowa natura obrotów była wyraźnie widoczna, obejmowały przedział od 99 do 111 kelwinów.

 

Z badań w IChF PAN i IChO PAN wyłania się nowy obraz chemicznej rzeczywistości. Grupa CH3 w cząsteczce nie jest już prostym wirnikiem zbudowanym z węglowego rdzenia i trzech sztywno do niego przymocowanych atomów wodoru. Jej rzeczywista natura jest inna: żaden atom wodoru nie zajmuje tu odrębnego położenia w przestrzeni, co więcej, każdy cały czas „miesza się” kwantowo z pozostałymi dwoma. Grupa metylowa, choć zbudowana z wielu atomów, w odpowiednich warunkach okazuje się być pojedynczym, spójnym tworem kwantowym, który nie przypomina żadnego obiektu znanego nam z codziennego świata.

 

Imitowanie klasycznej fizyki przez zjawiska kwantowe, na dodatek w gęstym i stosunkowo ciepłym otoczeniu, to zaskakujący efekt, który powinien zwrócić uwagę m.in. konstruktorów nanomaszyn. Projektując coraz mniejsze urządzenia molekularne muszą oni zacząć zdawać sobie sprawę, że w trudnym do przewidzenia momencie mogą nieświadomie przejść ze świata fizyki klasycznej do świata zjawisk kwantowych. W nowych warunkach działanie nanomaszyn nagle mogłoby przestać być tak przewidywalne jak w przypadku np. mechanicznego zegarka.

 

Badania nad kwantowymi rotacjami grup atomowych w cząsteczkach sfinansowano ze środków Narodowego Centrum Nauki.

 

PAP - Nauka w Polsce

 

lt/ agt/

Podziel się
Ocena: 0 głosów

Logowanie



Nie pamiętam hasła

Rejestracja

Komentarze: 0
Skomentuj Zobacz wszystkie  

Uwaga Redakcje!

Wszelkie materiały PAP (w szczególności depesze, zdjęcia, grafiki, pliki video) zamieszczone w serwisie "Nauka w Polsce" chronione są przepisami ustawy z dnia 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych oraz ustawy z dnia 27 lipca 2001 r. o ochronie baz danych.

 

PAP S.A. zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - www.naukawpolsce.pap.pl. W przypadku portali społecznościowych prosimy o umieszczenie jedynie tytułu i leadu naszej depeszy z linkiem prowadzącym do treści artykułu na naszej stronie, podobnie jak to jest na naszym profilu facebookowym. 

 

Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów video.

 

Informacje tekstowe z kategorii "Świat" można pozyskać odpłatnie abonując Serwis Nauka i Zdrowie PAP. Serwis ten zawiera ponadto wiele innych najnowszych doniesień naukowych z zagranicy oraz materiałów dotyczących szeroko rozumianej problematyki zdrowotnej. 

 

Informacje na temat warunków umowy można uzyskać w Dziale Sprzedaży i Obsługi Klienta PAP, tel.: (+48 22) 509 22 25, e-mail:  pap@pap.pl

 

Informacje o przedruku artykułów z Serwisu Nauka w Polsce, prośby o patronaty medialne, informacje o prowadzonych badaniach, organizowanych konferencjach itd., prosimy przesyłać na adres: naukawpolsce@pap.pl

 

 

Najpopularniejsze materiały

więcej

Książka

Tajemnice grzybów - dla niewtajemniczonych Tajemnice grzybów - dla niewtajemniczonych

Czy wiedzieliście, że grzyby można spotkać nawet na pustyniach czy w oceanach? Albo wykorzystać jako... planistów ruchu? Każdy, kto czuje się gotów na wprowadzenie do swojego życia tych i innych ciekawostek okołogrzybowych, powinien sięgnąć po książkę "Tajemnicze życie grzybów".

Więcej

Myśl na dziś

Dobrze zrozumiana nauka chroni człowieka przed pychą, gdyż ukazuje mu jego granice.
Albert Schweitzer

Nasz blog

Tabletka Matuzalema Tabletka Matuzalema

Naukowcy coraz lepiej poznają biologiczne podstawy starzenia; udaje im się nawet wydłużyć życie niektórych organizmów. Według autorów tych dokonań może to zaowocować nowymi terapiami i zwiększeniem liczby przeżywanych w zdrowiu lat. Według innych badań już dziś wiele w tym względzie można zdziałać dietą.

Więcej

Tagi