Een team van wetenschappers, waaronder Carnegie's Tim Strobel en Venkata Bhadram, rapporteren nu onverwacht kwantumgedrag van waterstofmoleculen, H ₂ , gevangen in kleine kooien gemaakt van organische moleculen, wat aantoont dat de structuur van de kooi het gedrag beïnvloedt van het molecuul dat erin opgesloten zit.

Een gedetailleerd begrip van de fysica van individuele atomen die op microscopisch niveau met elkaar in wisselwerking staan, kan leiden tot de ontdekking van nieuwe opkomende verschijnselen, helpen bij de synthese van nieuwe materialen, en zelfs toekomstige ontwikkeling van geneesmiddelen helpen.

Maar op atomaire schaal de klassieke, zogenaamde Newtoniaanse, natuurkundige regels die je op school hebt geleerd, zijn niet van toepassing. In de arena van de ultrakleine, verschillende regels, beheerst door de kwantummechanica, zijn nodig om interacties tussen atomen te begrijpen waar energie discreet is, of niet-continu, en waar de positie inherent onzeker is.

Het onderzoeksteam, waaronder Anibal Ramirez-Cuesta, Luke Daemen, en Yongqiang Cheng van het Oak Ridge National Laboratory, evenals Timothy Jenkins en Craig Brown van het National Institute of Standards and Technology-gebruikte spectroscopische instrumenten, inclusief de ultramoderne inelastische neutronenspectrometer genaamd VISION bij de Spallation Neutron Source, om de dynamiek op atomair niveau te onderzoeken van een speciaal soort moleculaire structuur, een clathraat genaamd.

Clathrates bestaan ​​uit een roosterstructuur die kooien vormt, andere soorten moleculen erin opsluiten, als een gevangenis op moleculaire schaal. Het clathraat dat het team bestudeerde, genaamd β-hydrochinon, bestond uit kooien gemaakt van organische moleculen die H . vangen ₂ . Slechts een enkele H ₂ molecuul is aanwezig in elke kooi, dus het kwantumgedrag van de geïsoleerde moleculen kon in detail worden onderzocht.

"Praktische voorbeelden van geïsoleerde door kwantum beïnvloede deeltjes die vastzitten in goed gedefinieerde ruimtes, bieden de mogelijkheid om dynamiek te onderzoeken onder omstandigheden die simulatie-achtige perfectie naderen, ’ legde Strobel uit.

Het onderzoeksteam kon observeren hoe het waterstofmolecuul in de kooi rammelde en roteerde. Verrassend genoeg, de waargenomen rotatiebeweging was anders dan die van H ₂ gevangen in verwante systemen waarin moleculen bijna vrij in alle richtingen kunnen roteren.

"Het gedrag dat we hier hebben waargenomen is vergelijkbaar met het gedrag van H ₂ moleculen die aan een metalen oppervlak hechten, " legde Strobel uit. "Het is de eerste keer dat dit gedrag, door natuurkundigen bekend als een tweedimensionale gehinderde rotor, is waargenomen voor waterstof gevangen in een moleculair clathraat."

Het blijkt dat de lokale structuur van de clathraatkooi een grote invloed heeft op de dynamiek van H ₂ , waardoor er een voorkeur is voor rotatie in twee dimensies ondanks het feit dat er geen chemische bindingen bij betrokken zijn. Naast de fundamentele inzichten, deze ontdekking kan belangrijke implicaties hebben voor het ontwerp van waterstofopslagmaterialen die H . kunnen vasthouden ₂ voor energie- en transporttoepassingen.