Uma molécula de amônia, NH ₃ , normalmente existe em forma de guarda-chuva, com três átomos de hidrogênio espalhados em um arranjo não planar em torno de um átomo de nitrogênio central. Esta estrutura guarda-chuva é muito estável e normalmente seria necessária uma grande quantidade de energia para ser invertida.

Contudo, um fenômeno de mecânica quântica chamado tunelamento permite que a amônia e outras moléculas habitem simultaneamente estruturas geométricas que são separadas por uma barreira de energia proibitivamente alta. Uma equipe de químicos que inclui Robert Field, o professor de química Robert T. Haslam e Bradley Dewey no MIT, examinou esse fenômeno usando um campo elétrico muito grande para suprimir a ocupação simultânea de moléculas de amônia nos estados normal e invertido.

"É um belo exemplo do fenômeno de tunelamento, e revela uma estranheza maravilhosa da mecânica quântica, "diz Field, que é um dos autores seniores do estudo.

Heon Kang, professor de química na Universidade Nacional de Seul, também é um autor sênior do estudo, que aparece esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences . Youngwook Park e Hani Kang da Universidade Nacional de Seul também são autores do artigo.

Suprimindo inversão

Os experimentos, realizada na Universidade Nacional de Seul, foram habilitados pelo novo método dos pesquisadores para a aplicação de um campo elétrico muito grande (até 200, 000, 000 volts por metro) para uma amostra imprensada entre dois eletrodos. Este conjunto tem apenas algumas centenas de nanômetros de espessura, e o campo elétrico aplicado a ele gera forças quase tão fortes quanto as interações entre moléculas adjacentes.

"Podemos aplicar esses campos enormes, que são quase da mesma magnitude que os campos que duas moléculas experimentam quando se aproximam, "Field diz." Isso significa que estamos usando um meio externo para operar em igualdade de condições com o que as moléculas podem fazer sozinhas. "

Isso permitiu que os pesquisadores explorassem o tunelamento quântico, um fenômeno frequentemente usado em cursos de graduação em química para demonstrar um dos "fantasmas" da mecânica quântica, Field diz.

Como analogia, imagine que você está caminhando em um vale. Para chegar ao próximo vale, você precisa escalar uma grande montanha, o que requer muito trabalho. Agora, imagine que você pudesse criar um túnel através da montanha para chegar ao próximo vale, sem nenhum esforço real necessário. Isso é o que a mecânica quântica permite, sob certas condições. Na verdade, se os dois vales tiverem exatamente a mesma forma, você estaria localizado simultaneamente em ambos os vales.

No caso da amônia, o primeiro vale é o de baixa energia, estado de guarda-chuva estável. Para que a molécula alcance o outro vale - o estado invertido, que tem exatamente a mesma baixa energia - classicamente, ele precisaria ascender a um estado de energia muito alta. Contudo, quântica mecanicamente, a molécula isolada existe com igual probabilidade em ambos os vales.

Sob a mecânica quântica, os possíveis estados de uma molécula, como amônia, são descritos em termos de um padrão de nível de energia característico. A molécula existe inicialmente na estrutura normal ou invertida, mas pode criar um túnel espontaneamente para a outra estrutura. A quantidade de tempo necessária para que o tunelamento ocorra é codificada no padrão de nível de energia. Se a barreira entre as duas estruturas for alta, o tempo de tunelamento é longo. Sob certas circunstâncias, como a aplicação de um forte campo elétrico, o tunelamento entre as estruturas regulares e invertidas pode ser suprimido.

Para amônia, a exposição a um forte campo elétrico reduz a energia de uma estrutura e aumenta a energia da outra estrutura (invertida). Como resultado, todas as moléculas de amônia podem ser encontradas no estado de baixa energia. Os pesquisadores demonstraram isso criando uma estrutura em camadas de argônio-amônia-argônio em 10 kelvins. Argônio é um gás inerte sólido a 10 K, mas as moléculas de amônia podem girar livremente no sólido de argônio. À medida que o campo elétrico aumenta, os estados de energia das moléculas de amônia mudam de tal forma que as probabilidades de encontrar as moléculas nos estados normal e invertido tornam-se cada vez mais distantes, e o tunelamento não pode mais ocorrer.

Este efeito é completamente reversível e não destrutivo:À medida que o campo elétrico diminui, as moléculas de amônia voltam ao seu estado normal de estar simultaneamente em ambos os poços.

Reduzindo as barreiras

Para muitas moléculas, a barreira para o tunelamento é tão alta que o tunelamento nunca aconteceria durante a vida do universo, Field diz. Contudo, existem outras moléculas além da amônia que podem ser induzidas a criar um túnel por meio do ajuste cuidadoso do campo elétrico aplicado. Seus colegas agora estão trabalhando para explorar essa abordagem com algumas dessas moléculas.

"A amônia é especial por causa de sua alta simetria e pelo fato de ser provavelmente o primeiro exemplo que alguém discutiria do ponto de vista químico de tunelamento, "Field diz." No entanto, há muitos exemplos em que isso pode ser explorado. O campo elétrico, porque é tão grande, é capaz de agir na mesma escala que as interações químicas reais, "oferecendo uma maneira poderosa de manipular externamente a dinâmica molecular.