Nelle molecole, ci sono alcuni gruppi di atomi che sono in grado di ruotare. Questo movimento si verifica sotto l'influenza di stimoli casuali dall'ambiente, e non è continuo, ma si verifica a salti. Si ritiene generalmente che tali salti avvengano in un modo tipico degli oggetti classici, come una pala di un ventilatore pungolata da un dito. I chimici degli istituti dell'Accademia polacca delle scienze di Varsavia hanno, però, rotazioni osservate che seguono le regole non intuitive del mondo quantistico. Si scopre che nelle condizioni appropriate, le rotazioni quantistiche possono benissimo imitare il normale, rotazione classica.

Il professor Slawomir Szymanski dell'Istituto di chimica organica dell'Accademia polacca delle scienze (IOC PAS) di Varsavia è certo che fenomeni molto più esotici e non intuitivi di natura quantistica siano responsabili di alcuni degli effetti osservati nelle molecole. Per anni, ha sviluppato un modello quantistico delle rotazioni a salto di interi gruppi di atomi nelle molecole. Il lavoro teorico del Prof. Szymanski ha appena trovato ulteriore conferma negli esperimenti condotti presso l'Istituto di Chimica Fisica della PAS (IPC PAS) da un gruppo guidato dal Dr. Piotr Bernatowicz, e descritto nel Giornale di Fisica Chimica .

"In chimica, la meccanica quantistica è usata quasi esclusivamente per descrivere il moto di minuscoli elettroni. nuclei atomici, anche quelli semplici come il nucleo monoprotonico dell'idrogeno, sono considerati troppo grandi e massicci per essere soggetti a effetti quantistici. Nel nostro lavoro, dimostriamo che questa visione comoda ma molto semplicistica deve finalmente cominciare a cambiare, almeno in relazione a determinate situazioni, " dice il prof. Szymanski.

Il modello di rotazione quantistica del Prof. Szymanski descrive la rotazione di gruppi atomici composti da elementi identici, per esempio. atomi di idrogeno. L'ultima pubblicazione, completato in collaborazione con il gruppo del Dr. Bernatowicz, riguarda i gruppi metilici CH3. Nella loro struttura, questi gruppi ricordano minuscole eliche. Ci sono tre atomi di idrogeno attorno all'atomo di carbonio distanziati ad intervalli uguali. È noto da tempo che i gruppi metilici collegati da un atomo di carbonio alle molecole possono compiere salti rotazionali. Tutti gli atomi di idrogeno possono ruotare contemporaneamente di 120 gradi attorno al carbonio. Queste rotazioni sono sempre state trattate come un fenomeno classico in cui le "palle" di idrogeno saltano semplicemente nei "pozzi" adiacenti che sono stati appena liberati dai loro vicini.

"Utilizzando la risonanza magnetica nucleare, abbiamo effettuato misurazioni difficili ma precise su polveri di monocristalli di trifeniletano, un composto di molecole contenenti ciascuna un gruppo metilico. I risultati non lasciano spazio a dubbi. Le forme delle curve che abbiamo registrato, i cosiddetti spettri di risonanza della polvere, può essere spiegato solo con l'assunzione che i fenomeni quantistici siano responsabili delle rotazioni dei gruppi metilici, " dice il dottor Bernatowicz.

Le misurazioni della rotazione dei gruppi metilici mediante risonanza magnetica nucleare richiedevano un controllo preciso della temperatura delle sostanze in polvere. Questo perché la natura quantistica della rotazione diventa chiaramente visibile solo in un ristretto intervallo di temperatura. Quando la temperatura è troppo bassa, la rotazione si ferma, e quando è troppo alto, le rotazioni quantistiche diventano indistinguibili da quelle classiche. Le temperature degli esperimenti all'IPC PAS, in cui era chiaramente visibile la natura quantistica delle rotazioni, variava da 99 a 111 Kelvin.

Da questa ricerca emerge un nuovo quadro della realtà chimica. Il gruppo CH3 nella molecola non è più un semplice rotore composto da un nucleo di carbonio e tre atomi di idrogeno rigidamente fissati. La sua vera natura è diversa:nessun atomo di idrogeno occupa una posizione separata nello spazio. Cosa c'è di più, ognuna di esse si mescola continuamente in maniera quantistica con le altre due. Nelle giuste condizioni, il gruppo metilico, pur essendo costituito da molti atomi, risulta essere un unico, entità quantistica coerente che non assomiglia a nessun oggetto a noi noto dal mondo di tutti i giorni.

Una descrizione del moto del rotatore atomico classico può essere costruita utilizzando una costante che misura la frequenza media dei suoi salti. Si scopre che nel modello quantistico, ci devono essere due di queste costanti e dipendono dalla temperatura. Quando la temperatura aumenta, entrambe le costanti assumono un valore simile e le rotazioni del gruppo metilico iniziano ad assomigliare alle rotazioni classiche.

"Nelle nostre misurazioni, abbiamo realmente osservato la graduale trasformazione delle rotazioni quantistiche dei gruppi metilici in rotazioni difficilmente distinguibili da quelle classiche. Questo effetto dovrebbe essere adeguatamente compreso. I fenomeni quantistici non cessarono di funzionare, ma in un certo senso imitava i salti classici, " spiega il dottor Bernatowicz.

Scienziati dell'IPC PAS e dell'IOC PAS avevano già confermato la correttezza del modello di rotazione quantistica in esperimenti con gruppi metilici (tra gli altri in molecole di dimetil triptycene, dove questi effetti erano accompagnati da cambiamenti dinamici nel reticolo cristallino). Però, previsioni riguardanti le rotazioni di una struttura atomica molto più complessa, l'anello benzenico C6H6, attendere la verifica sperimentale.

"La nostra ricerca è di natura basilare, ed è difficile parlare qui subito di applicazioni specifiche, " nota il prof. Szymanski, aggiungendo, "Vale la pena sottolineare, però, che gli effetti quantistici sono considerati estremamente sensibili all'ambiente. Chimici e fisici presumono che in ambienti molto densi, vengono distrutti dai movimenti termici dell'ambiente circostante. Osserviamo effetti quantistici a temperature relativamente elevate, inoltre in ambienti condensati:liquidi e cristalli. I risultati che otteniamo dovrebbero quindi essere un monito per i chimici o i fisici che amano le interpretazioni troppo semplificate".

L'imitazione della fisica classica da parte dei fenomeni quantistici, inoltre in un ambiente denso e relativamente caldo, è un effetto sorprendente che dovrebbe attirare l'attenzione di, tra gli altri, i costruttori di nanomacchine. Progettando dispositivi molecolari più piccoli, possono inconsapevolmente passare dal mondo della fisica classica al mondo dei fenomeni quantistici. In nuove condizioni, il funzionamento delle nanomacchine potrebbe improvvisamente smettere di essere prevedibile.