Gündem

Ultra soğuk kimyasal reaksiyonlar, ürün oluşumunun kuantum mekanizmasını ortaya çıkarır

0

Araştırmacılar, kimyayı en temel düzeyde yönlendiren kuantum dinamiklerini anlamak için, uzun zamandır reaksiyona giren moleküllerin tek bir kuantum halinden ürünlerin olası tüm kuantum hallerine kadar kimyasal tepkimeleri takip etmeyi hayal ettiler. Böyle bir deneyle elde edilen paha biçilmez veriler, kuantum reaksiyon mekanizmasını bulmak için doğrudan teorik sonuçlarla karşılaştırılabilir. Yazma Doğa, Liu ve diğerleri.1 Bu rüyanın bir potasyum atomu ve bir rubidyum atomundan (KRb) oluşan ultra soğuk iki atomlu moleküllerin reaksiyonu için gerçekleştiğini bildiriniz. Yazarlar, reaksiyon ürünlerinin 57 olası kuantum durumunun tümünün istatistiksel dağılımını haritalayarak, reaksiyonların kuantum-istatistiksel modellerinin geçerliliğini belirleyebildiler.

Son birkaç yılda, mutlak temel durumlarında alkali metallerin (periyodik cetvelin 1. grubundakiler) ultra soğuk diatomik moleküllerinin yoğun numunelerini hazırlamak mümkün hale geldi.2,3. Bu, moleküllerin en düşük elektronik, titreşim ve dönme enerji durumlarında olduğu ve her molekülün öteleme kinetik enerjisinin – molekülün kütle merkezinin uzayda hareketiyle ilişkili enerji – kaybolacak kadar küçük olduğu anlamına gelir (1 mikrokelvin’den daha az, veya yaklaşık 10-10 elektron voltajları).

Bu tür molekülleri hazırlama yeteneği, reaktanların tek bir dahili kuantum durumunda başladıkları (yani, aynı elektronik, titreşim ve dönme durumlarına sahip oldukları) ve 10’dan daha düşük bir dönüşüm enerjisiyle çarpıştıkları kimyasal reaksiyonları inceleme olasılığını ortaya çıkardı.-10eV. Bu tür reaksiyonlar, reaksiyonların kuantum-dinamik modellerini doğrulamak için ideal bir test yatağıdır. Doğrulandıktan ve kıyaslandıktan sonra, daha karmaşık reaksiyonları modellemek için kuantum dinamiği hesaplamaları kullanılabilir. İki KRb molekülünün K oluşturmak için atom değiştirdiği reaksiyon2 ve Rb2 bu amaç için özellikle uygundur, çünkü ekzerjiktir – reaksiyon enerji açığa çıkarır. Bu, tepkimenin, tepkimeye girenlerin mutlak temel durumlarında ve sıfıra yakın bir öteleme kinetik enerjisine sahip olduklarında ilerleyebileceğini ima eder.

İki molekül çarpıştığında ve reaksiyona girdiğinde açığa çıkan enerji, çeşitli iç enerji durumları ve ürünlerin translasyon hareketi arasında bölünür. Hesaplamalı kimyadaki zorluk, ilk reaktan durumunu karmaşık bir ara durum aracılığıyla belirli bir ürün durumuna bağlayan reaksiyon yollarını belirlemektir. Farklı kuantum hallerindeki ürün moleküllerinin tek bir reaktan halinden oluşma olasılıkları bu nedenle deneysel olarak belirlenmelidir.

Ancak, son birkaç yıla kadar, aşırı soğuk reaksiyonlar, yalnızca reaktif ve reaktif olmayan çarpışmalardan kaynaklanan saçılma sonucunda reaktan moleküllerin bir tuzaktan kaybolma hızı ile karakterize ediliyordu.4. Ürün moleküllerinin durumları karakterize edilmedi ve bu nedenle ilgili kesin reaksiyon yolları belirsizleştirildi. Ultra soğuk bir reaksiyonda üretilebilecek tüm olası kuantum durumları arasındaki ürünlerin dağılımını ölçmek, çözülmemiş bir zorluk olarak kaldı.

Molekülleri belirli kuantum durumlarında seçici olarak analiz edebilen ve hızlarını haritalayabilen bir kütle spektrometresi tekniği, molekül ışınları ile yapılan deneyler için kapsamlı bir şekilde geliştirilmiştir.5,6. Mevcut makalenin bazı yazarlarının da dahil olduğu bir araştırma ekibi, daha önce bu tekniği ultra soğuk bir reaksiyon kabındaki KRb moleküllerini incelemek için uyarladı.7 . Bununla birlikte, küçük örnek boyutu ve çok sayıda olası ürün durumu, bu durumların dağılımını ölçmeyi, daha az potansiyel ürün durumuna sahip daha hafif moleküller kullanan moleküler ışın deneylerinden çok daha zor hale getirir.

İki ultra soğuk KRb molekülü atom değiştirdiğinde açığa çıkan enerji, yalnızca ürün moleküllerinin dönme ve öteleme hareketi arasında bölünür – reaksiyonda açığa çıkan enerji, titreşim hareketini uyarmak için yetersizdir. Ürünlerin ortak kuantum durumu, kuantum sayıları (NK2 ve NKb2) K’nin dönme enerjilerini tanımlayan2 ve Rb2. Liu deneylerinde ve diğerleri. K çiftlerinin dönme durumlarını tespit etmek için bir şema geliştirdi2 ve Rb2 ultra soğuk reaksiyonda eşzamanlı olarak üretilen moleküller. Bununla birlikte, ürün çiftlerinin durumlarını doğru bir şekilde belirlemek için, yazarların aynı anda K2 ve Rb2 moleküller aslında aynı reaksiyon olayında üretildi.

Liu ve meslektaşları bu sorunu doğrusal momentumun korunumu ilkesini kullanarak çözdüler. K2 ve Rb2 İki KRb molekülünün tek bir çarpışmasından kaynaklanan moleküller, eşit ve zıt momentumlarla birbirlerinden uçarlar (Şekil 1). Deneylerde görüntülenen iki ürün iyonunun pozisyonları bu nedenle birbiriyle ilişkilidir. Yazarlar, bu tür korelasyonları tespit ederek, aynı reaksiyon olaylarından üretilen molekül çiftlerini belirlediler ve böylece 57 olası ortak kuantum durumunun tümü arasındaki ürünlerin istatistiksel dağılımını doğru bir şekilde belirlediler.

Şekil 1

Şekil 1 | Ultra soğuk moleküllerin çarpışmasından oluşan ürünlerin tespiti. Liu et al.1KRb moleküllerinin (K, potasyum; Rb, rubidyum) tek bir kuantum durumunda (mutlak temel durum) üretildiği ve K üretmek için çarpıştığı ultra soğuk reaksiyonlar analiz edildi.2 ve Rb2 moleküller. Bir reaksiyon olayının ürünleri, soldaki bir çarpışma bölgesinden geri teperken gösterilmektedir. K’nin dönme durumları2 ve Rb2 moleküller, aynı anda ve seçici olarak frekans ayarlı lazer darbeleri ile iyonize edilerek tespit edildi ve bir dizi dairesel elektrot tarafından üretilen elektrik alanları, iyonları konuma duyarlı bir detektöre doğru itti. K2 ve Rb2 Aynı çarpışmayla üretilen moleküller eşit ve zıt momentlere sahiptir, bu da dedektöre çarptıkları konumların korelasyonlu olduğu anlamına gelir. Yazarlar, bu tür ilişkili iyon çiftlerini tanımladılar ve ürün iyonlarının kuantum durumunu analiz ettiler. Bu şekilde, reaktanların tek bir kuantum halinden üretilebilen 57 kuantum halinin hepsinin istatistiksel dağılımını izlediler.

Bu tür bir reaksiyonu tanımlamak için gereken kesin kuantum dinamiği hesaplamaları şu anda zorludur, ancak bir reaksiyonun belirli bir kuantum durumuna yol açma olasılığını tahmin etmek için tamamen kuantum-istatistiksel bir model kullanılabilir.8. Bu modele göre, olasılık devletin yozluğuna bağlıdır. bir ürün durumunun eşit enerjili versiyonlarının sayısı, bu durumda, K’nin dönme enerjileri ile karakterize edilir.2 ve Rb2. Liu ve meslektaşlarının deneyleri, bu yozlaşmış durumlar arasında ayrım yapmaz ve bu nedenle ölçülen sayılar, K2 ve Rb2 belirli bir kombinasyonla tanımlanan bir enerjiye sahip tüm dejenere devletlerde NK2 ve NKb2. Yazarlar, ölçülen sayımları istatistiksel modeli kullanarak bir durumun dejenereliğinden hesaplanan reaksiyon olasılığıyla karşılaştırarak, ölçümlerinin büyük ölçüde modelin tahminleriyle uyuştuğunu göstermektedir.

Liu ve diğerleri. Sınırlayıcı ‘eşik’ durumu için istatistiksel tahminlerden gözlemlenen sapmalar, burada reaksiyon tarafından salınan enerji neredeyse tamamen ürün moleküllerinin dönme hareketine aktarılır ve ürünlerin uçup uçması için sadece küçük bir miktar öteleme kinetik enerjisi kalır. . Bu senaryoda, ürün moleküllerinin ortak kütle merkezleri etrafında dönen hareketinden ortaya çıkan merkezkaç enerjisi, serbest ürün durumlarına ayrılmalarını engelleme eğiliminde olan bir merkezkaç enerji bariyerine yol açar. Bu, bir ürün durumunda yüksek yörüngesel açısal momentuma sahip dejenere durumların oluşma olasılığını azaltır. Bu, bir ürün durumuna ait tüm dejenere yörünge durumlarının eşit bir oluşma olasılığına sahip olduğunu varsayan istatistiksel modeli ihlal eder.

Yazarların deneylerindeki reaktanların kuantum durumlarını tam olarak kontrol etme yetenekleri, yaklaşık 1 mK (yaklaşık 10 mK) minimum öteleme kinetik enerjisinde ortaya çıkan ürünlerin eşik durumlarını araştırmalarına izin verdi.–7eV). Bu düşük enerjide, maddenin dalga karakteri ortaya çıkar ve eşik durumunun merkezkaç bariyeri boyunca ‘tünel oluşturmasına’ izin verir – bu tünelleme, yazarların deneysel sonuçlarının neden istatistiksel modelden saptığını açıklar. Liu, teoriden hesaplanan tünel açma olasılığını ölçümleriyle karşılaştırarak ve diğerleri. eşik ürün durumunun öteleme kinetik enerjisini belirledi ve böylece KBr atom-değişim reaksiyonu tarafından salınan toplam enerjiyi kesin olarak ölçtü.

Liu ve diğerleri. böylece bir kimyasal reaksiyonu en ince ayrıntısına kadar incelemiştir. Şimdi, bir reaksiyonun sonucunun, mutlak temel durum dışındaki başlangıç ​​durumları tarafından nasıl kontrol edildiğini incelemek ilginç olacaktır. Örneğin, reaktanlar, lazer uyarımı kullanılarak belirli bir dönme-titreşim durumunda hazırlanabilir.9; veya reaktanların yönü, elektrik veya manyetik dipollerinin dış alanlarla etkileşimi yoluyla kontrol edilebilir.10; veya reaktanlar kuantum ‘dolaşıklık’ durumlarında üretilebilir11. Benzer şekilde, hangi ürün durumlarının erişilebilir olduğunu kontrol etmek için harici alanlar kullanılabilir. Bu tür yüksek kontrollü, durumla çözülmüş reaksiyonlar, kuantum kimyasının gelecekteki teorik modellemesi için potansiyel bir referans noktası görevi görecek.

Kimyaya daha genel bir ilgi duyan reaksiyonlar üzerinde böylesine ince bir kuantum kontrolü uygulamak mümkün olacak mı? Kararlı kuantum hallerinde hazırlamak için çok çeşitli molekülleri soğutmak için teknikler geliştirmede önemli ilerleme kaydedilmiştir.12. Bununla birlikte, şimdiye kadar sadece birkaç tip molekülü mikrokelvin sıcaklıklarına veya daha düşük seviyelere soğutmak mümkün olmuştur. Bununla birlikte, Liu ve meslektaşlarının deneyi, tek devlet güdümlü kimyasal reaksiyonların incelenmesi için heyecan verici beklentiler sunuyor.

İlgi Alanları

Yazar, rekabet eden hiçbir çıkar beyan etmemektedir.

Profesör

Geri Çekme Notu: Bir α-ketoglutarat bağımlı mononükleer hem olmayan demir enzimiyle endoperoksit oluşumu

Previous article

Tahıl ve topraktaki mikro besin öğelerinin haritalanması, Afrika’daki gizli açlığı gün yüzüne çıkarıyor

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem