據(jù)美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)6月9日?qǐng)?bào)道,美國(guó)和德國(guó)科學(xué)家在最新一期《科學(xué)》雜志上撰文指出,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)并首次證明,一種名為“隧道控制”的新機(jī)制或許是化學(xué)反應(yīng)中新的驅(qū)動(dòng)力,它可讓化學(xué)反應(yīng)偏離傳統(tǒng)方向,獲得新的反應(yīng)結(jié)果。新發(fā)現(xiàn)有望改變科學(xué)家對(duì)從材料科學(xué)到生物化學(xué)領(lǐng)域所發(fā)生反應(yīng)的理解,并設(shè)計(jì)出新的反應(yīng)。
這種驅(qū)動(dòng)力是無(wú)意間被發(fā)現(xiàn)的。科學(xué)家們本來(lái)是將分離出的化合物甲基羥基化烯烴(methylhydroxycarbene)在極低溫度下保存在固態(tài)氬氣中,然而,令人詫異的是,幾小時(shí)后,該化合物消失了。這促使美國(guó)佐治亞大學(xué)的理論化學(xué)教授衛(wèi)斯理·艾倫團(tuán)隊(duì)和德國(guó)吉森加斯特斯-李比希大學(xué)的皮特·施雷納團(tuán)隊(duì)進(jìn)行大規(guī)模、更高級(jí)的計(jì)算來(lái)解開這個(gè)謎團(tuán)。
科學(xué)家們認(rèn)為,這種物質(zhì)會(huì)消失的原因只有一個(gè),那就是發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。但環(huán)繞在該化合物周圍的只有惰性氬氣原子,極低的溫度也無(wú)法提供所需的熱能,另外,得到的反應(yīng)產(chǎn)物是乙醛——這是在科學(xué)家們構(gòu)想的多種可能性中最不可能出現(xiàn)的一種。艾倫解釋道,發(fā)生這種變化的驅(qū)動(dòng)力并不是傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力——?jiǎng)恿蜔崃Γ撬^的量子力學(xué)隧道效應(yīng)。
量子力學(xué)隧道效應(yīng)在10年前就被科學(xué)家們?cè)谘芯糠派湫詴r(shí)首次證實(shí)。在經(jīng)典力學(xué)中,分子運(yùn)動(dòng)可以被理解為粒子在一個(gè)勢(shì)能面上進(jìn)行漫游,能量勢(shì)壘被看作該勢(shì)能面上的“山口”,將化合物隔離開來(lái)。按經(jīng)典力學(xué),當(dāng)動(dòng)能小于勢(shì)壘高度時(shí),粒子不可能穿過(guò)勢(shì)壘。但在量子力學(xué)中,微觀粒子仍有一定的概率以一定的速度穿過(guò)勢(shì)壘,這種現(xiàn)象被稱為隧道效應(yīng)。
科學(xué)家之前一直認(rèn)為,在化學(xué)反應(yīng)中,隧道為化學(xué)反應(yīng)速度提供了第二個(gè)校正因子,不會(huì)提供支配性的驅(qū)動(dòng)力。而最新實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隧道控制能對(duì)化學(xué)反應(yīng)起支配作用,改變經(jīng)典力學(xué)控制下的反應(yīng)結(jié)果,隧道效應(yīng)能導(dǎo)致一個(gè)并沒(méi)有最低激活勢(shì)壘的化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)。
艾倫表示,盡管該反應(yīng)在極低溫度下進(jìn)行,而且是在專門針對(duì)甲基羥基化烯烴的研究中發(fā)現(xiàn)這種“隧道控制”的,但其可能是一種普遍現(xiàn)象,尤其是在涉及氫轉(zhuǎn)移的反應(yīng)時(shí),并且,這種過(guò)程可能也不受極低溫度的限制。
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