به گزارش مجله خبری نگار،پیش بینی واکنشهای تونل زنی در شیمی بسیار دشوار است. توصیف دقیق مکانیک کوانتومی واکنشهای شیمیایی با بیش از سه ذره سخت و با بیش از چهار ذره تقریبا غیرممکن است. نظریه پردازان، این واکنشها را با فیزیک کلاسیک شبیه سازی میکنند و باید اثرات کوانتومی را نادیده بگیرند. اما حد و مرز این توصیف کلاسیک از واکنشهای شیمیایی که فقط میتواند تقریبی ارائه شود، کجاست؟
رونالد وستر از دپارتمان فیزیک یون و فیزیک کاربردی در دانشگاه اینسبروک، مدتهاست که میخواهد این مرز را کشف کند. این فیزیکدان تجربی میگوید که برای انجام این کار، به آزمایشی نیاز داریم که امکان اندازه گیری بسیار دقیق را فراهم کند و همچنان بتواند آن را به صورت مکانیک کوانتومی توصیف کند. وستر به یاد میآورد که این ایده ۱۵ سال پیش در گفتگو با همکارش در کنفرانسی در ایالات متحده به ذهنش خطور کرد. او میخواست اثر تونل مکانیک کوانتومی را در یک واکنش بسیار ساده ردیابی کند.
از آنجایی که اثر تونل، واکنش را بسیار بعید و در نتیجه کند میکند، مشاهده تجربی آن فوق العاده دشوار است. با این حال، پس از چندین مرتبه تلاش، اعضای تیم وستر برای اولین بار موفق به مشاهده تجربی اثر تونل در واکنشهای شیمیایی شدند، که در شرح آن در شماره فعلی مجله Nature گزارش شده است.
تیم رولند وستر، هیدروژن را که سادهترین عنصر در جهان است، برای آزمایش خود انتخاب کردند. آنها دوتریوم (ایزوتوپ هیدروژن) را به یک تله یونی وارد کردند، آن را خنک کردند و سپس تله را با گاز هیدروژن پر کردند. به دلیل دمای بسیار پایین، یونهای دوتریوم با بار منفی، انرژی لازم برای واکنش با مولکولهای هیدروژن را به روش معمولی ندارند. با این حال، در موارد بسیار نادر، هنگامی که این دو با هم برخورد میکنند، واکنشی رخ میدهد.
رابرت وایلد، نویسنده اول این مطالعه، توضیح میدهد که این اتفاق به دلیل اثر تونل رخ میدهد. بدین صورت که مکانیک کوانتومی به ذرات اجازه میدهد تا به دلیل خواص موج مکانیکی کوانتومی خود از سد انرژی عبور کنند و در ادامه یک واکنش رخ میدهد. در آزمایش خود، تیم تحقیقاتی واکنشهای احتمالی را در حدود ۱۵ دقیقه در تله گرفتار میکنند و سپس مقدار یونهای هیدروژن تشکیل شده را تعیین میکنند. با توجه به تعداد یونهای تشکیل شده، میتوان استنباط کرد که هر چند وقت یکبار یک واکنش رخ داده است.
در سال ۲۰۱۸، فیزیکدانان نظری محاسبه کرده بودند که در این سیستم، احتمال وقوع تونل سازی کوانتومی، تنها یک مورد از هر صد میلیارد برخورد است. این بسیار نزدیک با نتایج اندازه گیری شده در اینسبروک است و پس از ۱۵ سال تحقیق، برای اولین بار یک مدل نظری دقیق را برای اثر تونل زنی در یک واکنش شیمیایی تایید میکند.
واکنشهای شیمیایی دیگری نیز وجود دارد که ممکن است از اثر تونل استفاده کنند. برای اولین بار، اکنون نوعی از اندازه گیری در دست داریم که در تئوری علمی نیز به خوبی قابل درک است. بر این اساس، تحقیقات میتوانند مدلهای نظری ساده تری را برای واکنشهای شیمیایی ایجاد کنند و آنها را بر روی واکنشی که اکنون با موفقیت نشان داده شده است، آزمایش کنند.
از اثر تونل، به عنوان مثال، در میکروسکوپ تونلی روبشی و در حافظههای فلش استفاده میشود. این امر میتواند واپاشی آلفای هستههای اتمی را هم توضیح دهد. با گنجاندن اثر تونل، برخی از سنتزهای شیمی فضایی مولکولها را در ابرهای تاریک بین ستارهای نیز میتوان توضیح داد. بنابراین، آزمایش تیم وستر، پایه و اساس درک بهتر بسیاری از واکنشهای شیمیایی را ایجاد میکند.