Chemici van de Ruhr-Universität Bochum hebben bewijs gevonden dat koolstofatomen zich niet alleen als deeltjes maar ook als golven kunnen gedragen. Deze kwantummechanische eigenschap is bekend voor lichte deeltjes zoals elektronen of waterstofatomen. Echter, onderzoekers hebben slechts zelden de dualiteit van golven en deeltjes waargenomen voor zware atomen, zoals koolstof. Het team onder leiding van Prof. Dr. Wolfram Sander en Tim Schleif van de Leerstoel Organische Chemie II samen met Prof. Dr. Weston Thatcher Borden, Universiteit van Noord-Texas, verslagen in het journaal Angewandte Chemie .

"Ons resultaat is een van de weinige voorbeelden die aantonen dat koolstofatomen kwantumeffecten kunnen vertonen, " zegt Sander. Specifiek, de onderzoekers zagen dat koolstofatomen kunnen tunnelen. Zo overwinnen ze een energetische barrière, hoewel ze eigenlijk niet genoeg energie hebben om dat te doen.

Zelden waargenomen voor zware deeltjes

Wolfram Sander legt de paradox uit:"Het is alsof een tijger zijn kooi heeft verlaten zonder over het hek te springen, wat veel te hoog voor hem is. Maar hij komt er toch uit." Dat kan alleen als hij zich als een golf gedraagt, maar niet als hij zich als een deeltje gedraagt. De kans dat een object kan tunnelen hangt af van zijn massa. Het fenomeen kan bijvoorbeeld, veel gemakkelijker worden waargenomen voor lichte elektronen dan voor relatief zware koolstofatomen.

De onderzoekers onderzochten de tunnelreactie met behulp van de Cope-omlegging, een chemische reactie die al bijna 80 jaar bekend is. Het uitgangsmateriaal voor de reactie, een koolwaterstofverbinding, is identiek aan het productmolecuul. Dezelfde chemische verbinding bestaat dus voor en na de reactie. Echter, de bindingen tussen de koolstofatomen veranderen tijdens het proces.

In hun experiment hebben de in Bochum gevestigde onderzoekers markeerden een van de koolstofatomen in het molecuul:ze vervingen het waterstofatoom dat eraan was gebonden door de waterstofisotoop deuterium, een zwaardere versie van waterstof. Moleculen voor en na de Cope-omlegging verschilden wat betreft de verdeling van het deuterium. Door deze verschillende verdelingen beide moleculaire vormen hadden iets verschillende energieën.

Reactie zou eigenlijk niet moeten plaatsvinden

Op kamertemperatuur, dit verschil heeft weinig effect; door het overvloedige aanbod van thermische energie in de omgeving, beide vormen komen even vaak voor. Echter, bij zeer lage temperaturen onder de tien Kelvin, één molecuulvorm heeft significant de voorkeur vanwege het energieverschil. Bij de overgang van kamertemperatuur naar extreem lage temperaturen, de balans moet van een gelijke verdeling van beide vormen naar een ongelijke verdeling gaan.

Deze overgang kan niet, echter, gebeuren op de klassieke manier - aangezien, bij het herschikken van de ene vorm naar de andere, een energiebarrière moet worden overwonnen, al heeft het molecuul daar zelf niet de energie voor en de koude omgeving kan het ook niet leveren. Hoewel het nieuwe evenwicht niet op de klassieke manier zou moeten plaatsvinden, de onderzoekers konden het desondanks in het experiment aantonen. Hun conclusie:de Cope-omlegging bij extreem lage temperaturen kan alleen worden verklaard door een tunneleffect. Zo leverden ze experimenteel bewijs voor een voorspelling die Weston Borden meer dan vijf jaar geleden op basis van theoretische studies deed.

Oplosmiddelen beïnvloeden het vermogen om te tunnelen

Aan de Ruhr-Universität, Wolfram Sander doet onderzoek in het excellentiecluster Ruhr Explores Solvation, waar hij zich bezighoudt met de interacties van oplosmiddelen en opgeloste moleculen. "Het is bekend dat oplosmiddelen het vermogen om te tunnelen beïnvloeden, "zegt de chemicus. "Echter, tot nu toe is niet begrepen hoe ze dat doen."