Op veel manieren, het begrijpen van kwantummechanische vergelijkingen in een poging om te voorspellen wat er zal gebeuren tussen reactanten zoals atomen en moleculen, resulterend in complexe fenomenen in de chemie, kan vermoeiend zijn, en verbijsterend voor velen. Nog, zonder de theoretische inzichten, experimentele chemici zouden grotendeels niet in staat zijn te begrijpen wat ze waarnemen.

Onderzoekers van de Universiteit van New Mexico, onder leiding van Distinguished Professor of Chemistry Hua Guo, hebben met experimentatoren gewerkt om hen te helpen inzicht te krijgen door theoretische interpretaties van experimentele waarnemingen te geven.

"Als wetenschappers moleculen onderzoeken, zien ze spectrale kenmerken, maar het is erg moeilijk om die kenmerken te interpreteren omdat het slechts lijnen in het spectrum zijn, " zei Guo. "Dat is waar we binnenkomen en een theoretische interpretatie geven van hun experimentele observaties."

Een dergelijk gezamenlijk onderzoek door Guo's team is onlangs gepubliceerd met een groep onderzoekers van Cal-Berkeley in het prestigieuze tijdschrift Natuurchemie getiteld "Feshbach-resonanties in het uitgangskanaal van de F + CH ₃ OH→HF + CH ₃ O-reactie waargenomen met behulp van overgangstoestand spectroscopie." Het karakteriseren van de overgangstoestand van een reactie is sinds de jaren dertig lang een doel geweest voor zowel experimentele als theoretische fysische chemici. Dit komt omdat de overgangstoestand bepaalt hoe chemische bindingen zich vormen en breken tijdens een chemische reactie De overgangstoestand is een complex van zeer korte duur, slechts een paar femtoseconden, miljarden miljardsten van seconden.

"Om een ​​chemische reactie te beheersen, je moet begrijpen hoe het door de overgangstoestand gaat, "zei Guo. "Je moet slimme manieren bedenken om dat te doen."

Guo's medewerkers in Berkeley maken eerst een stabiel anion. Het komt voor dat deze negatieve ionen typisch een geometrie hebben die heel dicht bij de overgangstoestand van de overeenkomstige neutrale reacties ligt, zoals weergegeven in de afbeelding, wetenschappers kunnen beginnen met dit anion en het elektron van deze moleculen strippen met behulp van een laserlicht.

"Je gebruikt een laser om het molecuul te schieten en het elektron wordt eruit geschopt, "zei Guo. "Toen, dit molecuul wordt in de overgangstoestand geplaatst en je ziet het uit elkaar vallen. Zo detecteren ze de overgangstoestand. Ze zien spectrale kenmerken, maar het is moeilijk om ze te interpreteren. Dat is waar we binnenkomen en een theoretische interpretatie geven van hun experimentele observatie."

Chemie wordt beheerst door kwantummechanica, dus wetenschappers lossen de kwantummechanische vergelijking op die de Schrodinger-vergelijking wordt genoemd, wat het equivalent is van de vergelijking van Newton in de kleine wereld - ver beneden - elektronen, atomen, moleculen - ze volgen eigenlijk niet de wet van Newton, ze volgen de wet van Schrödinger, dus die theorie is wat we kwantummechanica noemen. De kwantummechanische interpretatie vertelt wetenschappers veel inzichten.

"We kunnen eigenlijk voorspellen hoe deze kwantumtoestanden eruit zien en dat is wat ze in experimenten zien, "Zei Guo. "Het blijkt dat onze theorie kan precies bepalen waar de spectrale pieken vandaan komen. In dit geval, deze pieken komen overeen met de zogenaamde Feshbach-resonanties."

In het tweede artikel, getiteld "Codering van vinylideen-isomerisatie in zijn anionspectrum, " gepubliceerd in een ander toptijdschrift Wetenschap , het werk was ontworpen om de kwantummechanische aard van een bepaald type reactie, isomerisatie genaamd, te begrijpen, waar je van de ene vorm van een molecuul naar de andere gaat. De benadering die de onderzoeker volgde is dezelfde als bij het andere artikel.

Dit is een unimoleculaire reactie waarbij een enkel molecuul betrokken is, vinylideen. Het leuke van deze reactie is dat je de twee waterstofatomen verbonden met één koolstof in één isomeer kunt zien. Met de andere isomeer, een waterstof is verbonden met elk van de twee koolstoffen, dus dat is de reactie. Anorganische scheikunde, het wordt een 1:2 waterstofverschuiving genoemd.

"Als het molecuul isomeriseert, op de een of andere manier moeten deze twee waterstofatomen rond het koolstofraamwerk bewegen en een vibrerende beweging maken. Het is dus belangrijk om erachter te komen welke trillingsmodus deze reactie helpt plaatsvinden. Dat is het belangrijkste punt. Misschien interessanter, de isomerisatie gaat niet over de barrière, het gaat eigenlijk onder de barrière door. Dat heet tunnelen, alsof er een tunnel is waar de waterstofatomen doorheen kunnen.

"Tunneling is wat wetenschappers een kwantummechanische eigenschap noemen, omdat waterstof heel licht is, het is kwantummechanisch, en het kan soms tunnelen. We hebben bewijs dat dat aantoont."

Dit isomerisatieprobleem bestaat al heel lang, legde Guo uit. Maar in wezen werd het pas zeer recentelijk begrepen toen dit artikel werd gepubliceerd.

"Dat is de betekenis waar we de kloof overbrugden en mensen vertelden" dit is precies wat er gebeurt - het gaat om tunnelen en het gaat om een ​​schommelende modus van de vibratie, "Zei Guo. "Ik zou dit graag willen zien als je skiet. Je gaat naar een bult en dan ga je helemaal naar beneden. Energetisch is dat wat er gebeurt. Het lastige met moleculen is dat het niet over de bult gaat, het gaat eronder en tunnels door. Omdat deze dingen kwantummechanisch zijn, het is een verrassend effect."