È un UFO? No. È la distribuzione di probabilità di una molecola di idrogeno rotante intrappolata all'interno di una gabbia di clatrato organico. Credito:Tim Strobel.
Un team di scienziati, tra cui Tim Strobel e Venkata Bhadram di Carnegie, riportano ora un comportamento quantistico inaspettato delle molecole di idrogeno, h 2 , intrappolati all'interno di minuscole gabbie fatte di molecole organiche, dimostrando che la struttura della gabbia influenza il comportamento della molecola imprigionata al suo interno.
Una comprensione dettagliata della fisica dei singoli atomi che interagiscono tra loro a livello microscopico può portare alla scoperta di nuovi fenomeni emergenti, aiutano a guidare la sintesi di nuovi materiali, e persino aiutare lo sviluppo futuro di farmaci.
Ma su scala atomica, il classico, cosiddetto newtoniano, le regole della fisica che hai imparato a scuola non si applicano. Nell'arena degli ultra-piccoli, regole diverse, governato dalla meccanica quantistica, sono necessari per comprendere le interazioni tra atomi in cui l'energia è discreta, o non continuativo, e dove la posizione è intrinsecamente incerta.
Il team di ricerca, tra cui Anibal Ramirez-Cuesta, Luca Daemen, e Yongqiang Cheng dell'Oak Ridge National Laboratory, così come Timothy Jenkins e Craig Brown del National Institute of Standards and Technology utilizzati strumenti spettroscopici, compreso lo spettrometro di neutroni anelastico all'avanguardia chiamato VISION presso la Spallation Neutron Source, per esaminare le dinamiche a livello atomico di un tipo speciale di struttura molecolare chiamata clatrato.
I clatrati sono costituiti da una struttura reticolare che forma gabbie, intrappolando altri tipi di molecole all'interno, come una prigione su scala molecolare. Il clatrato studiato dal team, chiamato β-idrochinone, consisteva in gabbie fatte di molecole organiche che intrappolano H 2 . Solo un singolo H 2 molecola è presente all'interno di ogni gabbia, così il comportamento quantistico delle molecole isolate potrebbe essere esaminato in dettaglio.
"Esempi pratici di particelle isolate influenzate da quanti che sono intrappolate all'interno di spazi ben definiti offrono l'opportunità di sondare le dinamiche in condizioni che si avvicinano alla perfezione simile alla simulazione, "Stròbel ha spiegato.
Il team di ricerca è stato in grado di osservare come la molecola di idrogeno vibrava e ruotava all'interno della gabbia. Sorprendentemente, il moto rotatorio osservato era diverso da quello di H 2 intrappolati in sistemi correlati in cui le molecole possono ruotare quasi liberamente in tutte le direzioni.
"Il comportamento che abbiamo osservato qui è simile al comportamento di H 2 molecole che aderiscono a una superficie metallica, " ha spiegato Strobel. "È la prima volta che questo comportamento, conosciuto dai fisici come un rotore ostacolato bidimensionale, è stato osservato per l'idrogeno intrappolato all'interno di un clatrato molecolare."
Risulta che la struttura locale della gabbia clatratica influenza notevolmente la dinamica di H 2 , causando una preferenza per la rotazione in due dimensioni nonostante il fatto che non siano coinvolti legami chimici. Oltre agli approfondimenti fondamentali, questa scoperta potrebbe avere importanti implicazioni per la progettazione di materiali di stoccaggio dell'idrogeno in grado di intrappolare H 2 per applicazioni energetiche e di trasporto.
