Tim naučnika sa EPFL-a u Švajcarskoj, u saradnji sa kolegama iz Nemačke i Sjedinjenih Država, uspeo je da posmatra kvantno uplitanje u sudarima molekula metana sa zlatnim površinama. Njihova studija, objavljena u časopisu Science, otkriva kako kvantna mehanika utiče na sudare molekula sa površinama i pruža nove uvide u hemijske interakcije na molekularnom nivou.
Kada se molekuli sudaraju sa površinama, dolazi do složene razmene energije i momentuma. Međutim, način na koji se ta energija prenosi nije u potpunosti vođen klasičnim zakonima fizike, već kvantnom mehanikom, koja reguliše interakcije na atomskom i molekularnom nivou.
Jedan od ključnih fenomena kvantne mehanike, poznat kao kvantno uplitanje, igra važnu ulogu u ovim interakcijama. Ovaj efekat se dešava kada različiti mogući putevi koje molekul može da pređe preklapaju, što dovodi do specifičnih obrazaca interakcije – neki putevi se pojačavaju, dok se drugi međusobno poništavaju.
Do sada je posmatranje kvantnog uplitanja u sudarima težih molekula, poput metana (CH₄), bilo izuzetno teško zbog velikog broja mogućih kvantnih stanja koje molekul može zauzeti. Naučnici su se pitali da li bi u ovim složenim sistemima kvantni efekti bili toliko „razmazani“ da bi klasični zakoni fizike mogli dovoljno precizno da ih opišu.
Da bi razjasnili ovu dilemu, istraživači su razvili preciznu eksperimentalnu tehniku. Oni su:
- Podesili molekule metana u određene kvantne države pre sudara.
- Koristili laserske tehnike da bi kontrolisali i kasnije detektovali kvantna stanja molekula nakon sudara.
- Koristili visoko kontrolisane zlatne površine kako bi izbegli nasumične varijacije i omogućili precizno merenje kvantnih efekata.
Posebno su pažljivo uzgajali kristalne zlatne površine i isekli ih pod specifičnim uglom kako bi dobili atomsku ravnost i hemijsku inertnost. Ove površine su potom održavali u ultra-visokim vakuumskim uslovima, kako bi se sprečilo njihovo zagađenje česticama iz vazduha.
Koristeći lasersku spektroskopiju, istraživači su merili energetska stanja molekula metana nakon sudara sa zlatnom površinom. Otkrili su jasne obrasce kvantnog uplitanja, što je direktan dokaz da kvantni efekti igraju presudnu ulogu u ovim interakcijama.
Njihova studija je pokazala da simetrija molekulskih stanja određuje koji prelazi između energetskih stanja su dozvoljeni, a koji su zabranjeni.
- Kada su kvantna stanja bila kompatibilna, prelazi između njih su bili pojačani.
- Kada su kvantna stanja bila nespojiva, prelazi su bili potisnuti, kao da molekul „nailazi na zid“.
Ovo potvrđuje da kvantna mehanika aktivno kontroliše kako se energija i momentum razmenjuju tokom sudara, suprotno pretpostavci da bi klasična fizika mogla dovoljno precizno opisati ovakve interakcije.
Ovi rezultati predstavljaju važan korak napred u razumevanju molekularnih interakcija na površinama i mogu imati široke primene u hemiji i nauci o materijalima.
- Napredak u razvoju katalizatora – Bolje razumevanje kako molekuli razmenjuju energiju sa površinama moglo bi da dovede do dizajna efikasnijih katalizatora za industrijske procese, poput sinteze goriva i hemijskih reakcija.
- Poboljšana kontrola hemijskih reakcija – Precizna manipulacija kvantnim stanjima može omogućiti preciznije vođenje hemijskih reakcija na atomskom nivou.
- Razvoj naprednih tehnologija – Ovi nalazi mogu pomoći u razvoju novih materijala i površinskih premaza sa unapređenim funkcionalnostima.
Ovo istraživanje pruža jedan od najjasnijih dokaza do sada da kvantna mehanika igra ključnu ulogu u sudarima molekula sa površinama. Ta saznanja otvaraju nova vrata za bolje razumevanje površinske hemije i potencijalno vode ka tehnološkim inovacijama u oblasti energije, materijala i industrijskih procesa.
Kvantna mehanika, koja ove godine slavi 100 godina postojanja, i dalje iznenađuje naučnike svojim fundamentalnim uticajem na svet oko nas.
