In moleculen, er zijn bepaalde groepen atomen die kunnen roteren. Deze beweging vindt plaats onder invloed van willekeurige prikkels uit de omgeving, en is niet continu, maar komt voor in sprongen. Algemeen wordt aangenomen dat dergelijke sprongen plaatsvinden op een manier die typerend is voor klassieke objecten, zoals een ventilatorblad dat met een vinger wordt geprikt. Chemici van de instituten van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau hebben, echter, waargenomen rotaties die de niet-intuïtieve regels van de kwantumwereld volgen. Het blijkt dat onder de juiste omstandigheden, kwantumrotaties kunnen heel goed normaal nabootsen, klassieke rotatie.

Professor Slawomir Szymanski van het Instituut voor Organische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IOC PAS) in Warschau is er zeker van dat veel meer exotische en niet-intuïtieve fenomenen van kwantumaard verantwoordelijk zijn voor sommige van de effecten die in moleculen worden waargenomen. Voor jaren, hij heeft een kwantummodel ontwikkeld van de sprongrotaties van hele groepen atomen in moleculen. Het theoretische werk van Prof. Szymanski heeft zojuist verdere bevestiging gevonden in experimenten uitgevoerd aan het Instituut voor Fysische Chemie van de PAS (IPC PAS) door een groep onder leiding van Dr. Piotr Bernatowicz, en beschreven in de Tijdschrift voor Chemische Fysica .

"In de chemie, kwantummechanica wordt bijna uitsluitend gebruikt om de beweging van kleine elektronen te beschrijven. Atoomkernen, zelfs die zo eenvoudig zijn als de enkele protonkern van waterstof, worden als te groot en massief beschouwd om aan kwantumeffecten te worden onderworpen. In ons werk, we bewijzen dat deze handige maar zeer simplistische kijk eindelijk moet beginnen te veranderen, in ieder geval met betrekking tot bepaalde situaties, " zegt prof. Szymanski.

Het kwantumrotatiemodel van prof. Szymanski beschrijft de rotatie van atomaire groepen die zijn samengesteld uit identieke elementen, bijv. waterstof atomen. De laatste publicatie, voltooid in samenwerking met de groep van Dr. Bernatowicz, betreft CH3-methylgroepen. In hun structuur, deze groepen doen denken aan kleine propellers. Er zijn drie waterstofatomen rond het koolstofatoom die op gelijke afstanden van elkaar zijn geplaatst. Het is al lang bekend dat de methylgroepen die door een koolstofatoom aan de moleculen zijn verbonden, rotatiesprongen kunnen maken. Alle waterstofatomen kunnen tegelijkertijd 120 graden rond de koolstof draaien. Deze rotaties zijn altijd behandeld als een klassiek fenomeen waarbij waterstof 'ballen' gewoon in de aangrenzende 'putten' springen die net zijn ontruimd door hun buren.

"Met behulp van nucleaire magnetische resonantie, we hebben moeilijke maar nauwkeurige metingen uitgevoerd op poeders van monokristallen van trifenylethaan, een verbinding van moleculen die elk één methylgroep bevatten. De resultaten laten geen ruimte voor twijfel. De vormen van de curven die we hebben vastgelegd, zogenaamde poederresonantiespectra, kan alleen worden verklaard door de aanname dat kwantumverschijnselen verantwoordelijk zijn voor de rotaties van de methylgroepen, " zegt dr. Bernatowicz.

De metingen van de rotatie van de methylgroepen door kernmagnetische resonantie vereisten een nauwkeurige controle van de temperatuur van de poedervormige stoffen. Dit komt omdat het kwantumkarakter van de rotatie pas duidelijk zichtbaar wordt in een smal temperatuurbereik. Wanneer de temperatuur te laag is, de rotatie stopt, en als het te hoog is, de kwantumrotaties zijn niet meer te onderscheiden van de klassieke. De temperaturen van experimenten op de IPC PAS, waarin de kwantumaard van de rotaties duidelijk zichtbaar was, varieerde van 99 tot 111 Kelvin.

Uit dit onderzoek komt een nieuw beeld van de chemische werkelijkheid naar voren. De CH3-groep in het molecuul is niet langer een eenvoudige rotor die bestaat uit een koolstofkern en drie vastgehechte waterstofatomen. De werkelijke aard ervan is anders:geen waterstofatoom neemt een afzonderlijke positie in de ruimte in. Bovendien, elk van hen vermengt zich voortdurend op een kwantummanier met de andere twee. Onder de juiste omstandigheden, de methylgroep, hoewel opgebouwd uit vele atomen, blijkt een enkele te zijn, coherente kwantumentiteit die niet lijkt op enig object dat we uit de dagelijkse wereld kennen.

Een beschrijving van de klassieke atomaire rotatorbeweging kan worden geconstrueerd met behulp van één constante die de gemiddelde frequentie van zijn sprongen meet. Het blijkt dat in het kwantummodel, er moeten twee van dergelijke constanten zijn en ze zijn afhankelijk van de temperatuur. Als de temperatuur stijgt, beide constanten nemen een vergelijkbare waarde aan en de rotaties van de methylgroep beginnen op klassieke rotaties te lijken.

"In onze metingen we hebben echt de geleidelijke transformatie waargenomen van de kwantumrotaties van de methylgroepen in rotaties die moeilijk te onderscheiden zijn van de klassieke. Dit effect moet goed worden begrepen. Kwantumfenomenen hielden niet op te functioneren, maar op een bepaalde manier klassieke sprongen nagebootst, " legt dr. Bernatowicz uit.

Wetenschappers van het IPC PAS en IOC PAS hadden de juistheid van het kwantumrotatiemodel al bevestigd in experimenten met methylgroepen (o.a. in moleculen van dimethyltriptyceen, waar deze effecten gepaard gingen met dynamische veranderingen in het kristalrooster). Echter, voorspellingen over de rotaties van een veel complexere atomaire structuur, de C6H6 benzeenring, wachten op experimentele verificatie.

"Ons onderzoek is fundamenteel van aard, en het is moeilijk om hier meteen over specifieke toepassingen te praten, " merkt prof. Szymanski op, toevoegen, "Het is de moeite waard om te benadrukken, echter, dat kwantumeffecten als extreem gevoelig voor het milieu worden beschouwd. Chemici en natuurkundigen gaan ervan uit dat in zeer dichte omgevingen, ze worden vernietigd door de thermische bewegingen van de omgeving. We nemen kwantumeffecten waar bij relatief hoge temperaturen, daarnaast in gecondenseerde omgevingen:vloeistoffen en kristallen. De resultaten die we verkrijgen, zouden daarom een ​​waarschuwing moeten zijn voor scheikundigen of natuurkundigen die houden van te vereenvoudigde interpretaties."

De imitatie van klassieke fysica door kwantumverschijnselen, bovendien in een dichte en relatief warme omgeving, is een verrassend effect dat de aandacht zou moeten trekken van, onder andere, de constructeurs van nanomachines. Door kleinere moleculaire apparaten te ontwerpen, ze kunnen onbewust overstappen van de wereld van de klassieke natuurkunde naar de wereld van kwantumverschijnselen. Onder nieuwe voorwaarden, de werking van nanomachines kan ineens niet meer voorspelbaar zijn.