Em moléculas, existem certos grupos de átomos que podem girar. Este movimento ocorre sob a influência de estímulos aleatórios do ambiente, e não é contínuo, mas ocorre em saltos. Geralmente, acredita-se que tais saltos ocorrem de uma maneira típica de objetos clássicos, como uma lâmina de ventilador espetada por um dedo. Químicos dos institutos da Academia Polonesa de Ciências em Varsóvia, Contudo, rotações observadas que seguem as regras não intuitivas do mundo quântico. Acontece que, nas condições apropriadas, rotações quânticas podem muito bem imitar o normal, rotação clássica.

O professor Slawomir Szymanski, do Instituto de Química Orgânica da Academia Polonesa de Ciências (IOC PAS), em Varsóvia, tem certeza de que fenômenos muito mais exóticos e não intuitivos de natureza quântica são responsáveis ​​por alguns dos efeitos observados nas moléculas. Por anos, ele tem desenvolvido um modelo quântico das rotações de salto de grupos inteiros de átomos em moléculas. O trabalho teórico do Prof. Szymanski acaba de encontrar mais confirmação em experimentos conduzidos no Instituto de Físico-Química do PAS (IPC PAS) por um grupo liderado pelo Dr. Piotr Bernatowicz, e descrito no Journal of Chemical Physics .

"Na química, a mecânica quântica é usada quase exclusivamente para descrever o movimento de minúsculos elétrons. Núcleos atômicos, mesmo aqueles tão simples como o núcleo de próton único de hidrogênio, são considerados muito grandes e massivos para estarem sujeitos a efeitos quânticos. Em nosso trabalho, provamos que esta visão conveniente, mas muito simplista, deve finalmente começar a mudar, pelo menos em relação a certas situações, "diz o Prof. Szymanski.

O modelo de rotação quântica do Prof. Szymanski descreve a rotação de grupos atômicos compostos de elementos idênticos, por exemplo. átomos de hidrogênio. A última publicação, concluído em cooperação com o grupo do Dr. Bernatowicz, diz respeito a grupos metilo CH3. Em sua estrutura, esses grupos são uma reminiscência de hélices minúsculas. Existem três átomos de hidrogênio ao redor do átomo de carbono, espaçados em intervalos iguais. Já se sabe há muito tempo que os grupos metila conectados por um átomo de carbono às moléculas podem dar saltos rotacionais. Todos os átomos de hidrogênio podem girar simultaneamente 120 graus em torno do carbono. Essas rotações sempre foram tratadas como um fenômeno clássico no qual as 'bolas' de hidrogênio simplesmente saltam para os 'poços' adjacentes que acabaram de ser desocupados por seus vizinhos.

"Usando ressonância magnética nuclear, realizamos medições difíceis, mas precisas em pós de monocristais de trifeniletano, um composto de moléculas, cada uma contendo um grupo metil. Os resultados não deixam dúvidas. As formas das curvas que registramos, os chamados espectros de ressonância de pó, só pode ser explicado pela suposição de que os fenômenos quânticos são responsáveis ​​pelas rotações dos grupos metil, "diz o Dr. Bernatowicz.

As medições da rotação dos grupos metila por ressonância magnética nuclear exigiam um controle preciso da temperatura das substâncias em pó. Isso ocorre porque a natureza quântica da rotação só se torna claramente visível em uma faixa estreita de temperatura. Quando a temperatura está muito baixa, a rotação para, e quando é muito alto, as rotações quânticas tornam-se indistinguíveis das clássicas. As temperaturas dos experimentos no IPC PAS, em que a natureza quântica das rotações era claramente visível, variou de 99 a 111 Kelvin.

Uma nova imagem da realidade química emerge dessa pesquisa. O grupo CH3 na molécula não é mais um rotor simples composto de um núcleo de carbono e três átomos de hidrogênio rigidamente ligados. Sua natureza real é diferente - nenhum átomo de hidrogênio ocupa uma posição separada no espaço. O que mais, cada um deles se mistura continuamente de forma quântica com os outros dois. Sob as condições certas, o grupo metil, embora construída de muitos átomos, acaba sendo um único, entidade quântica coerente que não se assemelha a nenhum objeto conhecido por nós no mundo cotidiano.

Uma descrição do movimento do rotador atômico clássico pode ser construída usando uma constante medindo a frequência média de seus saltos. Acontece que no modelo quântico, deve haver duas dessas constantes e elas dependem da temperatura. Quando a temperatura sobe, ambas as constantes assumem um valor semelhante e as rotações do grupo metil começam a se assemelhar às rotações clássicas.

"Em nossas medições, nós realmente observamos a transformação gradual das rotações quânticas dos grupos metil em rotações difíceis de distinguir das clássicas. Este efeito deve ser compreendido de forma adequada. Os fenômenos quânticos não deixaram de funcionar, mas de certa forma imitava saltos clássicos, "explica o Dr. Bernatowicz.

Cientistas do IPC PAS e IOC PAS já haviam confirmado a correção do modelo de rotação quântica em experimentos com grupos metil (entre outros em moléculas de dimetil triptyceno, onde esses efeitos foram acompanhados por mudanças dinâmicas na rede cristalina). Contudo, previsões sobre as rotações de uma estrutura atômica muito mais complexa, o anel de benzeno C6H6, aguardar verificação experimental.

“Nossa pesquisa é de natureza básica, e é difícil falar aqui imediatamente sobre aplicativos específicos, "observa o Prof. Szymanski, adicionando, “Vale ressaltar, Contudo, que os efeitos quânticos são considerados extremamente sensíveis ao meio ambiente. Químicos e físicos presumem que, em ambientes muito densos, eles são destruídos pelos movimentos térmicos dos arredores. Observamos efeitos quânticos em temperaturas relativamente altas, além em ambientes condensados:líquidos e cristais. Os resultados que obtemos devem, portanto, ser um aviso para químicos ou físicos que gostam de interpretações simplificadas demais. "

A imitação da física clássica por fenômenos quânticos, além disso, em um ambiente denso e relativamente quente, é um efeito surpreendente que deve chamar a atenção de, entre outros, os construtores de nanomáquinas. Ao projetar dispositivos moleculares menores, eles podem inadvertidamente passar do mundo da física clássica para o mundo dos fenômenos quânticos. Sob novas condições, a operação das nanomáquinas pode, de repente, deixar de ser previsível.