분자 화학에서 터널링 반응 모델링을 위한 혁신

화학에서의 터널링 반응은 예측하기가 매우 어렵습니다. 3개 이상의 입자가 있는 화학 반응을 양자 역학적으로 정확하게 설명하는 것은 어렵고 4개 이상의 입자가 있는 경우에는 거의 불가능합니다. 이론가들은 고전 물리학으로 이러한 반응을 시뮬레이션하고 양자 효과를 무시해야 합니다. 그러나 근사치만 제공할 수 있는 화학 반응에 대한 이 고전적인 설명의 한계는 어디입니까?

인스브루크 대학의 이온 물리학 및 응용 물리학과의 롤랜드 웨스터(Roland Wester)는 오랫동안 이 영역을 탐험하기를 원했습니다. 실험물리학자는 “매우 정밀한 측정이 가능하고 여전히 양자역학적으로 설명될 수 있는 실험이 필요하다”고 말했다. Wester는 “15년 전 미국에서 열린 회의에서 동료와 대화를 나누다가 아이디어가 떠올랐습니다.”라고 회상합니다. 그는 매우 간단한 반응으로 양자 역학적 터널 효과를 추적하고 싶었습니다.

터널 효과로 인해 반응이 거의 일어나지 않고 느려지기 때문에 실험적 관찰이 매우 어려웠습니다. 그러나 몇 번의 시도 끝에 Wester의 팀은 이제 처음으로 그렇게 하는 데 성공했으며 저널 최신호에 보고했습니다. 자연.

15년 연구 끝에 얻은 돌파구

Roland Wester 팀은 실험을 위해 우주에서 가장 단순한 원소인 수소를 선택했습니다. 그들은 수소 동위원소인 중수소를 이온 트랩에 도입하고 냉각시킨 다음 트랩을 수소 가스로 채웠습니다. 온도가 매우 낮기 때문에 음으로 하전된 중수소 이온은 기존 방식으로 수소 분자와 반응할 에너지가 부족합니다. 그러나 매우 드문 경우에 두 개가 충돌할 때 반응이 발생합니다.

이것은 터널 효과에 의해 발생합니다. “양자 역학은 입자가 양자 역학적 파동 특성으로 인해 에너지 장벽을 뚫고 반응이 발생하도록 합니다.”라고 연구의 제1 저자인 Robert Wild는 설명합니다. “우리 실험에서는 약 15분 동안 트랩에서 가능한 반응을 제시한 다음 형성된 수소 이온의 양을 결정합니다. 그 수에서 우리는 반응이 얼마나 자주 발생했는지 추론할 수 있습니다.”

2018년에 이론 물리학자들은 이 시스템에서 양자 터널링이 천억 건의 충돌 중 한 번만 발생한다고 계산했습니다. 이것은 현재 인스브루크에서 측정된 결과와 매우 밀접하게 일치하며, 15년의 연구 끝에 처음으로 화학 반응의 터널링 효과에 대한 정확한 이론적 모델을 확인했습니다.

더 나은 이해를 위한 기초

터널 효과를 이용할 수 있는 다른 화학 반응이 있습니다. 이제 처음으로 과학 이론에서도 잘 이해되는 측정이 가능해졌습니다. 이를 바탕으로 연구는 화학 반응에 대한 더 간단한 이론적 모델을 개발하고 현재 성공적으로 입증된 반응에서 테스트할 수 있습니다.

터널 효과는 예를 들어 주사 터널링 현미경과 플래시 메모리에 사용됩니다. 터널 효과는 원자핵의 알파 붕괴를 설명하는 데에도 사용됩니다. 터널 효과를 포함함으로써 성간 암운에서 분자의 일부 천체화학 합성도 설명할 수 있습니다. 따라서 Wester 팀의 실험은 많은 화학 반응을 더 잘 이해할 수 있는 토대를 마련했습니다.

이 연구는 특히 오스트리아 과학 기금 FWF와 유럽 연합의 재정적 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/03/230301120839.htm