Una molécula de amoniaco, NH 3 , generalmente existe como una forma de paraguas, con tres átomos de hidrógeno desplegados en una disposición no plana alrededor de un átomo de nitrógeno central. Esta estructura de paraguas es muy estable y normalmente se esperaría que se invierta una gran cantidad de energía.
Sin embargo, un fenómeno mecánico cuántico llamado tunelización permite que el amoníaco y otras moléculas habiten simultáneamente estructuras geométricas que están separadas por una barrera de energía prohibitivamente alta. Un equipo de químicos que incluye a Robert Field, Robert T. Haslam y Bradley Dewey Profesor de Químicaen el MIT, ha examinado este fenómeno utilizando un campo eléctrico muy grande para suprimir la ocupación simultánea de moléculas de amoníaco en los estados normales e invertidos.
"Es un bello ejemplo del fenómeno de túnel, y revela una maravillosa extrañeza de la mecánica cuántica", dice Field, uno de los autores principales del estudio.
Heon Kang, profesor de química en la Universidad Nacional de Seúl, también es autor principal del estudio, que aparece esta semana en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . Youngwook Park y Hani Kang de la Universidad Nacional de Seúl también son autores del artículo.
inversión de supresión
Los experimentos, realizados en la Universidad Nacional de Seúl, fueron habilitados por el nuevo método de los investigadores para aplicar un campo eléctrico muy grande hasta 200,000,000 voltios por metro a una muestra intercalada entre dos electrodos. Este conjunto tiene solo unos pocos cientos de nanómetrosde espesor, y el campo eléctrico aplicado le genera fuerzas casi tan fuertes como las interacciones entre las moléculas adyacentes.
"Podemos aplicar estos enormes campos, que son casi de la misma magnitud que los campos que experimentan dos moléculas cuando se acercan entre sí", dice Field. "Eso significa que estamos utilizando un medio externo para operar en un campo de juego igual".con lo que las moléculas pueden hacer por sí mismas "
Esto permitió a los investigadores explorar el túnel cuántico, un fenómeno que se usa a menudo en los cursos de química de pregrado para demostrar uno de los "espeluznantes" de la mecánica cuántica, dice Field.
Como analogía, imagina que estás caminando en un valle. Para llegar al siguiente valle, debes escalar una gran montaña, lo que requiere mucho trabajo. Ahora, imagina que podrías hacer un túnel a través de la montaña para llegar al siguientevalle, sin un esfuerzo real requerido. Esto es lo que permite la mecánica cuántica, bajo ciertas condiciones. De hecho, si los dos valles tienen exactamente la misma forma, estarías ubicado simultáneamente en ambos valles.
En el caso del amoníaco, el primer valle es el estado paraguas estable de baja energía. Para que la molécula llegue al otro valle, el estado invertido, que tiene exactamente la misma baja energía, clásicamente necesitaríaascender a un estado de muy alta energía. Sin embargo, cuánticamente mecánicamente, la molécula aislada existe con la misma probabilidad en ambos valles.
Bajo la mecánica cuántica, los posibles estados de una molécula, como el amoníaco, se describen en términos de un patrón característico de nivel de energía. La molécula existe inicialmente en la estructura normal o invertida, pero puede hacer un túnel espontáneamente hacia la otra estructura.La cantidad de tiempo requerida para que ocurra ese túnel está codificada en el patrón de nivel de energía. Si la barrera entre las dos estructuras es alta, el tiempo de túnel es largo. En ciertas circunstancias, como la aplicación de un campo eléctrico fuerte, el túnel entreLas estructuras regulares e invertidas pueden ser suprimidas.
Para el amoníaco, la exposición a un campo eléctrico fuerte reduce la energía de una estructura y aumenta la energía de la otra estructura invertida. Como resultado, todas las moléculas de amoníaco se pueden encontrar en el estado de menor energía. Los investigadores demostraronesto creando una estructura estratificada de argón-amoníaco-argón a 10 grados Kelvin. El argón es un gas inerte que es sólido a 10 K, pero las moléculas de amoníaco pueden rotar libremente en el sólido argón. A medida que aumenta el campo eléctrico, los estados de energía delas moléculas de amoniaco cambian de tal manera que las probabilidades de encontrar las moléculas en los estados normales e invertidos se vuelven cada vez más separadas, y ya no puede ocurrir un túnel.
Este efecto es completamente reversible y no destructivo: a medida que disminuye el campo eléctrico, las moléculas de amoníaco vuelven a su estado normal de ser simultáneamente en ambos pozos.
bajando las barreras
Para muchas moléculas, la barrera para la tunelización es tan alta que la tunelización nunca sucedería durante la vida útil del universo, dice Field. Sin embargo, hay otras moléculas además del amoníaco que pueden inducirse a la tunelización mediante un ajuste cuidadoso del campo eléctrico aplicadoSus colegas ahora están trabajando en explotar este enfoque con algunas de esas moléculas.
"El amoníaco es especial debido a su alta simetría y al hecho de que probablemente sea el primer ejemplo que alguien discutiría desde un punto de vista químico de los túneles", dice Field. "Sin embargo, hay muchos ejemplos en los que esto podría explotarse.El campo eléctrico, debido a que es tan grande, es capaz de actuar en la misma escala que las interacciones químicas reales, "ofreciendo una forma poderosa de manipular externamente la dinámica molecular".
La investigación fue financiada por la Samsung Science and Technology Foundation y la National Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Anne Trafton. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :