A química exige esforço. Seja aumentando a temperatura, tornando os átomos compatíveis mais propensos a colidir em um impacto quente ou aumentando a pressão e espremendo-os, a construção de moléculas geralmente requer uma certa quantidade de energia.
A teoria quântica oferece uma solução alternativa se você for paciente. E uma equipe de pesquisadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, finalmente viu o tunelamento quântico em ação em um experimento mundial medindo a fusão de íons deutério com moléculas de hidrogênio.
O tunelamento é uma peculiaridade do universo quântico que faz parecer que as partículas podem passar por obstáculos que normalmente são muito difíceis de superar.
Na química, esse obstáculo é a energia necessária para que os átomos se combinem entre si ou com moléculas existentes.
No entanto, a teoria afirma que, em ocasiões extremamente raras, é possível que átomos próximos façam um “túnel” através dessa barreira de energia e se conectem sem esforço.
“A mecânica quântica permite que as partículas rompam a barreira energética devido às suas propriedades de ondas mecânicas quânticas, e ocorre uma reação”, diz Primeiro autor Robert Wild, físico experimental da Universidade de Innsbruck.
Ondas quânticas são os fantasmas que dirigem o comportamento de objetos como elétrons, fótons e até mesmo grupos inteiros de átomos, obscurecendo sua existência de qualquer observação para que eles não fiquem em um lugar específico, mas ocupem um continuum de posições possíveis.
Esse desfoque é insignificante para objetos maiores, como moléculas, gatos e galáxias. Mas quando ampliamos as partículas subatômicas individuais, a gama de possibilidades se expande, forçando os estados espaciais de diferentes ondas quânticas a se sobreporem.
Quando isso acontece, as partículas têm uma pequena chance de aparecer onde não deveriam e de entrar em túneis em regiões que, de outra forma, exigiriam muita força para penetrar.
Uma dessas regiões para um elétron pode estar dentro da zona de ligação de uma reação química, unindo átomos e moléculas vizinhos sem o boom-crash-crash de calor ou pressão.
Compreender o papel que o túnel quântico desempenha na construção e reorganização de moléculas pode ter implicações importantes para os cálculos de liberação de energia em reações nucleares, como hidrogênio em estrelas e reatores de fusão aqui na Terra.
Enquanto Nós modelamos esse fenômeno por exemplo, reações entre uma forma carregada negativamente de deutério – um isótopo de hidrogênio que contém um nêutron – e di-hidrogênio, ou H2a prova experimental dos números requer um grau desafiador de precisão.
Para conseguir isso, Wild e seus colegas resfriaram os íons negativos de deutério a uma temperatura que quase os parou antes de introduzir um gás de moléculas de hidrogênio.
Sem calor, o íon deutério teria muito menos probabilidade de ter a energia necessária para forçar as moléculas de hidrogênio ao rearranjo atômico. No entanto, também forçou as partículas a ficarem quietas uma ao lado da outra, dando-lhes mais tempo para se conectarem por meio do túnel.
“Em nosso experimento, damos às possíveis reações na armadilha cerca de 15 minutos e depois determinamos a quantidade de íons de hidrogênio formados. A partir de seu número, podemos deduzir com que frequência uma reação ocorreu.” explicado descontroladamente.
Este número é pouco mais de 5 x 10-20 Reações por segundo que ocorrem em cada centímetro cúbico, ou cerca de um evento de túnel para cerca de cem bilhões de colisões. Então não muito. Embora o experimento apoie a modelagem anterior e confirme uma referência que pode ser usada em previsões em outros lugares.
Dado que o tunelamento desempenha um papel bastante importante em uma ampla variedade de reações nucleares e químicas, muitas das quais provavelmente também ocorrem nas profundezas geladas do espaço, mapear com precisão os fatores envolvidos nos dá uma base mais sólida sobre a qual basear nossa pesquisa. previsões sobre.
Este estudo foi publicado em Natureza.