Kwantummechanica laat deeltjes door hun kwantummechanische golfeigenschappen door de energetische barrière (muur) breken en er treedt een reactie op. Krediet: Universität Innsbruck/Harald Ritsch
Doorbraak voor het modelleren van tunnelreacties in de moleculaire chemie.
Tunnelreacties in de chemie zijn erg moeilijk te voorspellen. De kwantummechanisch exacte beschrijving van chemische reacties met meer dan drie deeltjes is moeilijk, met meer dan vier deeltjes bijna onmogelijk. Theoretici simuleren deze reacties met klassieke fysica en moeten kwantumeffecten verwaarlozen. Maar waar ligt de grens van deze klassieke beschrijving van chemische reacties, die slechts benaderingen kan geven?
Roland Wester van de afdeling Ionenfysica en Technische Natuurkunde aan de Universiteit van Innsbruck heeft deze grens al lang willen verkennen. « Het vereist een experiment dat zeer nauwkeurige metingen mogelijk maakt en nog steeds kwantummechanisch kan worden beschreven », zegt de experimenteel natuurkundige. “Het idee kwam 15 jaar geleden bij me op tijdens een gesprek met een collega op een conferentie in de VS”, herinnert Wester zich. Hij wilde het kwantummechanische tunneleffect traceren in een heel simpele reactie.
Omdat het tunneleffect de reactie zeer onwaarschijnlijk en dus traag maakt, was de experimentele waarneming buitengewoon moeilijk. Na verschillende pogingen is het team van Wester er nu voor het eerst in geslaagd om precies dat te doen, zoals ze melden in het huidige nummer van het tijdschrift Natuur.
Doorbraak na 15 jaar onderzoek
Het team van Roland Wester koos waterstof – het eenvoudigste element in het universum – voor hun experiment. Ze introduceerden deuterium – een waterstofisotoop – in een ionenval, koelden het af en vulden de val vervolgens met waterstofgas. Door de zeer lage temperaturen missen de negatief geladen deuteriumionen de energie om op de conventionele manier met waterstofmoleculen te reageren. In zeer zeldzame gevallen treedt er echter een reactie op wanneer de twee botsen.
Dit wordt veroorzaakt door het tunneleffect: « Kwantummechanica stelt deeltjes in staat om door de energetische barrière te breken vanwege hun kwantummechanische golfeigenschappen, en er treedt een reactie op », legt de eerste auteur van de studie, Robert Wild, uit. “In ons experiment geven we mogelijke reacties in de val ongeveer 15 minuten en bepalen dan de hoeveelheid gevormde waterstofionen. Uit hun aantal kunnen we afleiden hoe vaak een reactie is voorgekomen.”
In 2018 hadden theoretisch natuurkundigen berekend dat kwantumtunneling in dit systeem slechts bij één op de honderd miljard botsingen voorkomt. Dit komt zeer nauwkeurig overeen met de resultaten die nu in Innsbruck worden gemeten en bevestigt na 15 jaar onderzoek voor het eerst een nauwkeurig theoretisch model voor het tunneleffect in een chemische reactie.
Basis voor een beter begrip
Er zijn andere chemische reacties die het tunneleffect kunnen benutten. Voor het eerst is er nu een meting beschikbaar die ook in de wetenschappelijke theorie goed begrepen wordt. Op basis daarvan kan het onderzoek eenvoudigere theoretische modellen voor chemische reacties ontwikkelen en toetsen aan de nu met succes aangetoonde reactie.
Het tunneleffect wordt bijvoorbeeld gebruikt in de scanning tunneling microscoop en in flash-geheugens. Het tunneleffect wordt ook gebruikt om het alfa-verval van atoomkernen te verklaren. Door het tunneleffect op te nemen, kunnen ook enkele astrochemische syntheses van moleculen in interstellaire donkere wolken worden verklaard. Het experiment van het team van Wester legt daarmee de basis voor een beter begrip van veel chemische reacties.
Referentie: « Tunneling gemeten in een zeer langzame ion-molecuulreactie » door Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran en Roland Wester, 1 maart 2023, Natuur.
DOI: 10.1038/s41586-023-05727-z
Het onderzoek werd onder andere financieel ondersteund door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF en de Europese Unie.
