化学反应存在新动力:隧道控制效应

2011-6-13 09:34 来源: 中国科学院
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  据美国物理学家组织网6月9日报道,美国和德国科学家在最新一期《科学》杂志上撰文指出,他们在实验中发现并首次证明,一种名为“隧道控制”的新机制或许是化学反应中新的驱动力,它可让化学反应偏离传统方向,获得新的反应结果。新发现有望改变科学家对从材料科学到生物化学领域所发生反应的理解,并设计出新的反应。

  这种驱动力是无意间被发现的。科学家们本来是将分离出的化合物甲基羟基化烯烃(methylhydroxycarbene)在极低温度下保存在固态氩气中,然而,令人诧异的是,几小时后,该化合物消失了。这促使美国佐治亚大学的理论化学教授卫斯理·艾伦团队和德国吉森加斯特斯-李比希大学的皮特·施雷纳团队进行大规模、更高级的计算来解开这个谜团。

  科学家们认为,这种物质会消失的原因只有一个,那就是发生了化学反应。但环绕在该化合物周围的只有惰性氩气原子,极低的温度也无法提供所需的热能,另外,得到的反应产物是乙醛——这是在科学家们构想的多种可能性中最不可能出现的一种。艾伦解释道,发生这种变化的驱动力并不是传统的驱动力——动力和热力,而是所谓的量子力学隧道效应。

  量子力学隧道效应在10年前就被科学家们在研究放射性时首次证实。在经典力学中,分子运动可以被理解为粒子在一个势能面上进行漫游,能量势垒被看作该势能面上的“山口”,将化合物隔离开来。按经典力学,当动能小于势垒高度时,粒子不可能穿过势垒。但在量子力学中,微观粒子仍有一定的概率以一定的速度穿过势垒,这种现象被称为隧道效应。

  科学家之前一直认为,在化学反应中,隧道为化学反应速度提供了第二个校正因子,不会提供支配性的驱动力。而最新实验发现,隧道控制能对化学反应起支配作用,改变经典力学控制下的反应结果,隧道效应能导致一个并没有最低激活势垒的化学反应出现。

  艾伦表示,尽管该反应在极低温度下进行,而且是在专门针对甲基羟基化烯烃的研究中发现这种“隧道控制”的,但其可能是一种普遍现象,尤其是在涉及氢转移的反应时,并且,这种过程可能也不受极低温度的限制。