É um OVNI? Não. É a distribuição de probabilidade de uma molécula de hidrogênio em rotação presa dentro de uma gaiola de clatrato orgânico. Crédito:Tim Strobel.
Uma equipe de cientistas, incluindo Tim Strobel e Venkata Bhadram da Carnegie, agora relata comportamento quântico inesperado de moléculas de hidrogênio, H 2 , preso dentro de pequenas gaiolas feitas de moléculas orgânicas, demonstrando que a estrutura da gaiola influencia o comportamento da molécula aprisionada dentro dela.
Uma compreensão detalhada da física de átomos individuais interagindo uns com os outros no nível microscópico pode levar à descoberta de novos fenômenos emergentes, ajudam a orientar a síntese de novos materiais, e até mesmo ajudar no desenvolvimento de medicamentos no futuro.
Mas na escala atômica, o clássico, os chamados newtonianos, as regras da física que você aprendeu na escola não se aplicam. Na arena do ultrapequeno, regras diferentes, governado pela mecânica quântica, são necessários para entender as interações entre os átomos onde a energia é discreta, ou não contínuo, e onde a posição é inerentemente incerta.
A equipe de pesquisa, incluindo Anibal Ramirez-Cuesta, Luke Daemen, e Yongqiang Cheng do Laboratório Nacional de Oak Ridge, bem como Timothy Jenkins e Craig Brown do Instituto Nacional de Padrões e Ferramentas espectroscópicas usadas por tecnologia, incluindo o espectrômetro de nêutrons inelásticos de última geração chamado VISION na Fonte de Nêutrons de Espalação, para examinar a dinâmica do nível atômico de um tipo especial de estrutura molecular chamada clatrato.
Os clatratos consistem em uma estrutura de treliça que forma gaiolas, aprisionando outros tipos de moléculas dentro, como uma prisão em escala molecular. O clatrate que a equipe estudou, chamado β-hidroquinona, consistia em gaiolas feitas de moléculas orgânicas que prendem H 2 . Apenas um único H 2 molécula está presente dentro de cada gaiola, portanto, o comportamento quântico das moléculas isoladas pode ser examinado em detalhes.
"Exemplos práticos de partículas isoladas influenciadas pelo quantum que estão presas em espaços bem definidos fornecem a oportunidade de sondar a dinâmica sob condições que se aproximam da perfeição de simulação, "Strobel explicou.
A equipe de pesquisa foi capaz de observar como a molécula de hidrogênio sacudiu e girou dentro da gaiola. Surpreendentemente, o movimento rotacional observado era diferente daquele de H 2 preso em sistemas relacionados nos quais as moléculas podem girar quase livremente em todas as direções.
“O comportamento que observamos aqui é semelhante ao comportamento de H 2 moléculas que estão aderindo a uma superfície de metal, "Strobel explicou." É a primeira vez que esse comportamento, conhecido pelos físicos como um rotor impedido bidimensional, foi observada para hidrogênio preso dentro de um clatrato molecular. "
Acontece que a estrutura local da gaiola de clatrato influencia muito a dinâmica de H 2 , causando uma preferência pela rotação em duas dimensões apesar do fato de não haver ligações químicas envolvidas. Além dos insights fundamentais, esta descoberta pode ter implicações importantes para o projeto de materiais de armazenamento de hidrogênio que podem prender H 2 para aplicações de energia e transporte.
