Fonte: Sci-X
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In prossimità dello zero assoluto, le reazioni chimiche assumono nuove funzionalità.
A temperature molto basse, vicine allo zero assoluto, le reazioni chimiche possono procedere ad un tasso molto superiore a quella chimica classica dice che dovrebbe - perché in questo freddo estremo, entrano in scena effetti quantistici. Un team dell’Istituto Weizmann lo ha ora confermato sperimentalmente; i risultati non solo forniscono una conoscenza dentro ai processi nel mondo quantistico, in cui particelle si comportano come onde, ma potrebbero anche spiegare come avvengono le reazioni chimiche nelle vaste regioni fredde dello spazio interstellare.
Secondo previsioni esistenti da molto tempo, gli effetti quantistici dovrebbero consentire la formazione di un legame transitorio, che costringerà atomi e molecole collidenti a orbitare uno con l’altro, invece di separarsi dopo la collisione. Un tale stato sarebbe molto importante, in quanto atomi e le molecole orbitanti potrebbero avere più possibilità di interagire chimicamente. In questa teoria, una reazione che sembrerebbe avere una probabilità molto bassa di avvenire, potrebbe procedere molto rapidamente, a certi livelli di energia.
Il dr. Ed Narevicius e il suo team presso l'Istituto di Fisica Chimica dell’Istituto Weizmann sono riusciti, per la prima volta, a confermare sperimentalmente questo processo sfuggente, in una reazione che hanno svolto a temperature molto basse, di appena una frazione di grado sopra lo zero assoluto (- 0,01 ° Kelvin). I loro risultati sono pubblicati sulla importante rivista “Science”.
"Il problema", dice Narevicius, "è che nella chimica classica, pensiamo alle reazioni in termini come di collisione tra ‘palle da biliardo’ tenute insieme da molle a livello molecolare. Nel modello classico, le barriere di reazione bloccano quelle ‘palle da biliardo’ impedendo che si avvicinino, mentre nel mondo della fisica quantistica, le barriere di reazione possono essere penetrate dalle particelle, in quanto queste acquisiscono qualità simili all’onda, a temperature ultra-basse".
La ricerca per osservare effetti quantistici in reazioni chimiche è iniziata più di mezzo secolo fa, con gli esperimenti pionieristici di Dudley Herschbach e Yuan T. Lee, che in seguito hanno ricevuto il premio Nobel per il loro lavoro. Loro sono riusciti a osservare reazioni chimiche con una risoluzione senza precedenti, facendo collidere due fasci supersonici a bassa temperatura. Tuttavia, le collisioni sono avvenute a velocità relative, che erano troppo elevate per provocare molti effetti quantistici: quando due fasci veloci collidono, la velocità relativa porta la temperatura (di collisione) sopra i 100 ° Kelvin, troppo caldo perché gli effetti quantistici possano svolgere un ruolo significativo. Nel corso degli anni, i ricercatori hanno utilizzato varie tecniche ingegnose, tra cui la modificazione dell’angolo del fascio e rallentandolo fino quasi all’arresto. Questi scienziati sono riusciti a portare le temperature fino a circa 5° K, un valore molto vicino a quello in cui si possono osservare le reazioni chimiche in condizioni quantistiche. L'innovazione che Narevicius e il suo team, tra cui Alon B. Henson, Sasha Gersten, Yuval Shagam e Julia Narevicius, hanno introdotto è stata quella di unire i fasci, piuttosto che farli collidere. Un fascio è stata prodotto in una linea retta e il secondo fascio è stato piegato, mediante un dispositivo magnetico, fino a portarlo parallelo al primo.
Benchè i fasci corressero ad alta velocità, la velocità relativa delle particelle in relazione alle altre era zero. Pertanto, è stato possibile raggiungere una temperatura di collisione molto più bassa: solo 0,01° K. Un fascio conteneva atomi di elio in stato eccitato, l'altro o atomi di argon o di molecole di idrogeno. Nella reazione chimica seguita, le molecole di argon o di idrogeno diventano ionizzate, che rilasciano elettroni.
Per vedere se entravano in scena i fenomeni quantistici, i ricercatori hanno esaminato le velocità a cui procede la reazione, a diverse energie di collisione. Ad elevate energie di collisione, hanno dominato gli effetti classici e le velocità di reazione sono rallentate gradualmente, a mano a amano che la temperatura scendeva. Ma al di sotto di circa 3 ° K, la velocità di reazione nei fasci uniti ha improvvisamente subito alti e bassi. Questo è un segno che un fenomeno quantistico, noto come risonanze di dispersione, dovute all’effetto tunnel, stava avendo luogo nelle reazioni. A basse energie, le particelle hanno iniziato a comportarsi come onde: quelle onde che sono stati in grado di passare (tunnelizzare) attraverso la barriera di potenziale, interferita costruttivamente con le onde riflesse, in caso di collisione. Si crea così un'onda stazionaria che corrisponde a particelle intrappolate in orbita, una con l’altra. Questa interferenza avviene a particolari energie ed è caratterizzata da un notevole aumento della velocità di reazione.
Spiega Narevicius: "Il nostro esperimento è la prima prova che la velocità di reazione può cambiare drasticamente nel regime freddo di reazione. Oltre ai risultati sorprendenti, abbiamo dimostrato che tali misurazioni possono servire come una sonda ultrasensibile per le dinamiche di reazione. Le nostre osservazioni già dimostrano la nostra comprensione, che anche la reazione di ionizzazione più semplice è ben lungi dall'essere completo, ma richiede un ripensamento approfondito e la costruzione di migliori modelli teorici. Ci aspettiamo che il nostro metodo sarà usato per risolvere molti enigmi nelle reazioni che si svolgono a temperature ultra-basse".
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