O esquema mostra o estado de ressonância quântica quase ligada na região pós-barreira, que é responsável pela reatividade aumentada no F + H 2 para reação HF + H em temperatura próxima do zero absoluto. Crédito:DICP
Recentemente, O Prof. Yang Xueming do Instituto Dalian de Física Química da Academia Chinesa de Ciências e o Prof. Yang Tiangang da Southern University of Science and Technology discutiram avanços significativos no estudo de ressonâncias quânticas em colisões atômicas e moleculares em temperatura quase zero absoluta. Seu artigo foi publicado em Ciência em 7 de maio.
As regras da mecânica quântica governam todos os processos de colisão atômica e molecular. Compreender a natureza quântica das colisões atômicas e moleculares é essencial para compreender a transferência de energia e os processos de reação química, especialmente na região de baixa energia colisional, onde o efeito quântico é o mais proeminente.
Uma característica notável da natureza quântica na colisão atômica e molecular são as ressonâncias de espalhamento quântico, mas sondá-los experimentalmente tem sido um grande desafio devido à natureza transitória dessas ressonâncias.
Este artigo apresentou um estudo de ressonância quântica publicado na mesma edição da Ciência por um grupo de pesquisa da Universidade de Nijmegen. Usando o feixe molecular desacelerado Stark de NO (j =1/2 f ) e um feixe de hélio criogênico combinado com a técnica de imagem de mapa de velocidade de alta resolução, De Jongh e colaboradores observaram ressonâncias nas colisões inelásticas de NO + He na faixa de temperatura de 0,3 a 12,3 K.
Os cálculos precisos da dinâmica quântica estão em excelente acordo com os resultados experimentais. Particularmente interessante é que as ressonâncias só podem ser descritas com precisão usando uma nova superfície de energia potencial NO-He (PES) no nível CCSDT (Q), demonstrando a precisão excepcionalmente alta da imagem de ressonância desenvolvida para este sistema de colisão inelástica de referência.
Além dos processos de espalhamento inelástico, ressonâncias em colisões reativas químicas no regime de baixa energia de colisão têm sido discutidas. Um importante sistema de referência para ressonâncias de reação, discutido no artigo, é o F + H 2 para reação HF + H, que é a principal fonte de formação de HF em nuvens interestelares (ISC).
O F + H 2 reação é conhecida por ter uma barreira de reação significativa (629 cm -1 ), portanto, sua reatividade deve ser desprezível na temperatura próxima do zero absoluto. Compreender o mecanismo de formação de HF por meio dessa reação em temperaturas frias é importante, que pode ajudar a determinar a densidade da coluna de hidrogênio no espaço.
Com o aparelho de feixe cruzado molecular aprimorado, a reação F e H 2 foram estudados tão baixo quanto 14 K (9,8 cm -1 ) no Laboratório Estadual de Dinâmica de Reação Molecular, DICP. Um pico de ressonância claro na energia de colisão de ~ 40 cm -1 foi descoberto, que é responsável pela reatividade aprimorada perto da temperatura zero absoluta da análise dinâmica detalhada em um PES preciso. Por causa do tunelamento quântico aprimorado por ressonância, esta reação deve ter uma reatividade excepcionalmente alta em temperaturas abaixo de 1 K.
Uma análise teórica adicional indicou que, se a contribuição do tunelamento aprimorado por ressonância fosse removida da reatividade, a constante de taxa de reação de F + H 2 abaixo de 10 K seria reduzido em mais de três ordens de magnitude.
Neste artigo, os autores apontaram que a forte interação entre experimento e teoria tem sido crucial no estudo de ressonâncias de colisão transitória. Os estudos de dinâmica em colisões atômicas e moleculares são especialmente importantes para compreender os processos de transferência de energia e reação química que podem ter um amplo impacto em sistemas complicados, como as atmosferas terrestres e planetárias, nuvens interestelares, lasers de fase gasosa, processamento de semicondutores, plasmas, e processos de combustão.
