La chimie demande des efforts. Que ce soit en augmentant la température, en augmentant les chances que des atomes correspondants entrent en collision lors d’une collision à chaud, ou en augmentant la pression et en les pressant ensemble, la construction de molécules nécessite généralement un certain coût en énergie.
La théorie quantique fournit une solution si vous êtes patient. Une équipe de chercheurs de l’Université d’Innsbruck en Autriche a enfin vu l’effet tunnel quantique en action dans la première expérience au monde mesurant la fusion d’ions deutérium avec des molécules d’hydrogène.
Un tunnel est une étrangeté dans l’univers quantique qui donne l’impression que les particules peuvent traverser des obstacles qui seraient normalement difficiles à surmonter.
En chimie, cet obstacle est l’énergie nécessaire aux atomes pour communiquer entre eux ou avec des molécules existantes.
Cependant, la théorie veut que dans des cas extrêmement rares, il est possible que des atomes proches se «tunnelent» à travers cette barrière d’énergie et se connectent sans aucun effort.
« La mécanique quantique permet aux particules de franchir la barrière d’énergie en raison de leurs propriétés d’onde mécanique quantique, et une interaction a lieu », Il dit Premier auteur Robert Wilde, physicien expérimental de l’Université d’Innsbruck.
Les ondes quantiques sont les fantômes qui régissent le comportement de choses comme les électrons, les photons et même des groupes entiers d’atomes, brouillant leur existence avant toute observation, de sorte qu’ils ne siègent pas à un endroit spécifique mais occupent un continuum de positions possibles.
Cette gradation n’est pas significative pour les objets plus grands tels que les particules, les chats et les galaxies. Mais à mesure que nous zoomons sur des particules subatomiques individuelles, l’éventail des possibilités s’élargit, forçant les états du site des diverses ondes quantiques à se chevaucher.
Lorsque cela se produit, les particules ont peu de chances d’apparaître là où elles n’ont pas de travail ou de creuser des tunnels dans des zones qui nécessiteraient beaucoup de force pour pénétrer.
L’une de ces zones d’un électron pourrait se trouver dans la région de liaison d’une réaction chimique, où il soude les atomes et les molécules voisins ensemble sans traverser la chaleur ou la pression.
Comprendre le rôle que joue l’effet tunnel quantique dans la construction et le réarrangement des molécules pourrait avoir des implications importantes pour les calculs de libération d’énergie dans les réactions nucléaires, telles que celles impliquant l’hydrogène dans les étoiles et les réacteurs à fusion ici sur Terre.
alors que Nous avons modélisé ce phénomène Pour des exemples impliquant des réactions entre une forme chargée négativement de deutérium – un isotope de l’hydrogène qui contient un neutron – et du dihydrogène, ou H2Prouver les nombres expérimentalement nécessite un niveau de précision difficile.
Pour ce faire, Wilde et ses collègues ont refroidi les ions deutérium négatifs à une température qui les a amenés près de l’arrêt avant d’introduire un gaz composé de molécules d’hydrogène.
Sans chaleur, la probabilité qu’un ion deutérium obtienne l’énergie nécessaire pour forcer les molécules d’hydrogène à réorganiser les atomes était beaucoup plus faible. Cependant, cela a également forcé les particules à se rapprocher tranquillement, leur donnant plus de temps pour se lier à travers les tunnels.
« Dans notre expérience, nous donnons aux réactions potentielles dans le piège environ 15 minutes, puis déterminons la quantité d’ions hydrogène formés. De leur nombre, nous pouvons déduire la fréquence à laquelle la réaction se produira », Wilde explique.
Ce nombre est un peu plus de 5 x 10-20 Réactions par seconde qui se produisent par centimètre cube, soit environ un événement tunnel pour cent milliards de collisions. Donc pas grand chose. Bien que l’expérience soutienne la modélisation précédente, confirmant un critère qui peut être utilisé dans des prédictions ailleurs.
Étant donné que les tunnels jouent un rôle assez important dans une variété de réactions nucléaires et chimiques, dont beaucoup sont également susceptibles de se produire dans les profondeurs froides de l’espace, une bonne maîtrise des facteurs en jeu nous donne une base plus solide pour gouverner. Nos attentes sont au rendez-vous.
Cette recherche a été publiée dans nature.
