In molti modi, comprendere le equazioni della meccanica quantistica nel tentativo di prevedere cosa accadrà tra reagenti come atomi e molecole risultanti in fenomeni complessi in chimica può essere estenuante, e sbalorditivo per molti. Ancora, senza le intuizioni teoriche, i chimici sperimentali sarebbero in gran parte incapaci di capire cosa stanno osservando.

Ricercatori dell'Università del New Mexico, guidato dall'illustre professore di chimica Hua Guo, hanno lavorato con sperimentatori per aiutarli a comprendere fornendo interpretazioni teoriche delle osservazioni sperimentali.

"Quando gli scienziati sondano le molecole, vedono le caratteristiche spettrali, ma è molto difficile interpretare quelle caratteristiche perché sono solo linee nello spettro, " ha detto Guo. "È qui che entriamo in gioco e forniamo un'interpretazione teorica delle loro osservazioni sperimentali".

Uno di questi studi congiunto del team di Guo è stato pubblicato di recente con un gruppo di ricercatori di Cal-Berkeley sulla prestigiosa rivista Chimica della natura intitolato "Risonanze Feshbach nel canale di uscita del F + CH ₃ OH→HF + CH ₃ O osservata utilizzando la spettroscopia dello stato di transizione." La caratterizzazione dello stato di transizione di una reazione è stato a lungo un obiettivo sia per i chimici fisici sperimentali che teorici sin dagli anni '30. Questo perché lo stato di transizione governa il modo in cui i legami chimici si formano e si rompono durante una reazione chimica Lo stato di transizione è un complesso di breve durata, solo pochi femtosecondi, miliardi di miliardesimi di secondi.

"Per controllare una reazione chimica, devi capire come procede attraverso lo stato di transizione, " ha detto Guo. "Devi progettare modi intelligenti per farlo."

I collaboratori di Guo a Berkeley producono prima un anione stabile. Succede che questi ioni negativi hanno tipicamente una geometria molto vicina allo stato di transizione delle corrispondenti reazioni neutre, come mostrato in figura, gli scienziati possono iniziare con questo anione e rimuovere l'elettrone da queste molecole usando una luce laser.

"Usi un laser per sparare alla molecola e l'elettrone viene espulso, " disse Guo. "Allora, questa molecola è posta allo stato di transizione e tu la guardi cadere a pezzi. È così che rilevano lo stato di transizione. Vedono le caratteristiche spettrali, ma è difficile interpretarli. È qui che entriamo in gioco e forniamo un'interpretazione teorica della loro osservazione sperimentale".

La chimica è governata dalla meccanica quantistica, così gli scienziati risolvono l'equazione della meccanica quantistica chiamata equazione di Schrodinger, che è l'equivalente dell'equazione di Newton nel piccolo mondo - molto al di sotto - elettroni, atomi, molecole – in realtà non seguono la legge di Newton, seguono la legge di Schrödinger così che la teoria è ciò che chiamiamo meccanica quantistica. L'interpretazione della meccanica quantistica fornisce agli scienziati molte intuizioni.

"Possiamo effettivamente prevedere come appaiono questi stati quantistici ed è quello che vedono negli esperimenti, "Guo ha detto. "A quanto pare, la nostra teoria può effettivamente individuare da cosa provengono i picchi spettrali. In questo caso, questi picchi corrispondono alle cosiddette risonanze di Feshbach."

Nel secondo articolo intitolato, "Codifica dell'isomerizzazione del vinilidene nel suo spettro anionico, " pubblicato in un'altra rivista importante Scienza , il lavoro è stato progettato per comprendere la natura quantomeccanica di un particolare tipo di reazione chiamata isomerizzazione, dove si passa da una forma di una molecola all'altra. L'approccio adottato dallo sperimentatore è lo stesso dell'altro articolo.

Questa è una reazione unimolecolare che coinvolge una singola molecola, vinilidene. La cosa bella di questa reazione è che puoi vedere i due idrogeni collegati con un carbonio in un isomero. Con l'altro isomero, un idrogeno è connesso con ciascuno dei due atomi di carbonio, quindi questa è la reazione. Chimica inorganica, si chiama spostamento dell'idrogeno 1:2.

"Quando la molecola si isomerizza, in qualche modo questi due idrogeni hanno bisogno di muoversi attorno alla struttura in carbonio facendo un movimento vibrazionale. È quindi importante capire quale modalità vibrazionale aiuta questa reazione a verificarsi. Questo è il punto chiave. Forse più interessante, l'isomerizzazione non supera la barriera, in realtà va sotto la barriera. È quello che si chiama tunneling, come se ci fosse un tunnel per il passaggio degli atomi di idrogeno.

"Il tunneling è ciò che gli scienziati chiamano una proprietà della meccanica quantistica perché l'idrogeno è molto leggero, è meccanica quantistica, e a volte può scavare. Abbiamo prove che lo dimostrano".

Questo problema di isomerizzazione esiste da molto tempo, Ha spiegato Guo. Ma fondamentalmente non è stato compreso fino a poco tempo fa, quando questo documento è stato pubblicato.

"Questo è il significato per cui abbiamo colmato il divario e detto alla gente "ecco esattamente cosa succede:coinvolge il tunneling e comporta una modalità oscillante della vibrazione, " Guo ha detto. "Vorrei vedere questo come quando si scia. Si sale fino a un dosso e poi si scende fino in fondo. Energeticamente è quello che succede. La cosa difficile con le molecole è che non va oltre la gobba, va sotto e passa attraverso. Poiché queste cose sono di meccanica quantistica, è un effetto sorprendente."