混合光物质粒子为控制化学提供了诱人的新方法

他回忆说:“人们认为我们的做法非常古怪托马斯艾布森来自法国斯特拉斯堡大学。他说，当我们试图提交2012年的报告时《应用化学》纸,¹有一份裁判报告非常简短，简单地说:‘这不是科学，这是科幻小说’。”

对许多人来说，艾伯森的研究听起来确实像是在自欺欺人。他的团队证明，它可以改变光异构化反应的速率和收率——而不是在烧杯中进行——把它放在两个镜子之间的小空间里。这个空间里没有化学催化剂，没有什么明显的东西可以让这一切成为可能。研究人员所做的是利用真空场的力量，真空场是一种奇怪的量子力学汤，围绕着一切。

他说，2012年让所有人大开眼界菲利普Herrera他领导着智利圣地亚哥大学的一个分子量子技术小组。“没有人相信这一点，人们花了两三年的时间才得以重现实验结果。”

虽然真空场催化仍处于起步阶段，尚未有任何实际应用，但它可能带来无催化剂催化、超选择性二氧化碳还原和新型光敏剂。它可能成为引导类似于光催化的化学反应的有力工具。埃雷拉说:“我认为这个领域将产生深远的影响。”

一种新的化学反应

“现代物理学的观点是，不存在真正的真空。”写了物理学家布莱恩·斯金纳十多年前，美国俄亥俄州立大学教授在他的博客上写道。物理学家发现，宇宙充满了充满能量的汤，沸腾和冒泡的粒子出现和消失的速度一样快。尽管这听起来像是对早已被抛弃的东西的荒谬回归以太理论，实验结果——如卡西米尔效应-早就确立了真空场的存在。

但是，物理学领域中一直存在的东西现在开始引起化学家的兴趣，他们希望有一天可以用这种真空场来催化反应。他们通过创造来做到这一点极化声子即部分是光，部分是物质的混合粒子。即使在没有光的情况下，当分子与真空场自发抛出的所谓虚光子强烈相互作用时，它们也会形成。

Herrera解释说，用光和物质制造极化激元就像用两个原子制造一个分子一样。把两个原子靠得足够近，它们就会形成一个分子，一个具有新轨道和新化学性质的新实体。同样地，极化激元对其母分子的反应也经常有显著的不同——事实上，它们是如此显著，以至于可以被比作一种新的物质状态。

虽然是一个小领域，但它已经受到科学界的关注。根据Web of Science的数据，包含“分子极化子”关键字的研究数量翻了一番，从2017年的不到25项增加到2019年的50多项。自Covid-19封锁开始以来，约有200名科学家参加了会议极化子化学每周网络研讨会由美国加州大学圣地亚哥分校的研究人员主办。

埃雷拉说:“我认为这个领域将打开许多人的思想，特别是在实验化学的同事中。”“这就是我如此喜欢这个领域的原因，因为它是连接50或60年量子光学和100年物理化学的桥梁。”

腔化学

使分子与真空场相互作用就像把它们放在一个腔中一样容易。简单地说，光学腔由两个相对的镜子组成，在某些情况下仅相隔几纳米。空腔是激光的主要组成部分，它们形成了光波的谐振腔。但在黑暗中，它们可以用来制造极化激元。“自由空间是无限的，真空场波动非常小，这就是为什么我们在自由空间中没有看到强耦合，”埃雷拉解释道。“如果你把磁场限制在很小的空间里，那么这些真空波动就会非常大。”

我们的梦想是使用空腔来实现超选择性的化学协议

Joel Yuen-Zhou，加州大学圣地亚哥分校

腔体的大小决定了能在腔体内存在的虚光子的波长。将这个波长与分子的键振动或电子跃迁相匹配，就创造了光物质混合的条件，形成分子极化激元。

一项创造极化态的实验可能看起来出人意料地粗糙:镀银的玻璃片作为镜子，中间夹着一层目标分子。设置它是用螺丝固定在一起的，所以腔体的共振频率可以通过用螺丝刀细微地改变镜子与镜子的距离来微调。

在2012年之前，物理学家已经用这种方式修改了分子的光学性质——比如光发射速率。但是Ebbesen的团队第一次表明，将分子粘在腔内也可以改变它们的化学性质。这是一个概念的证明，此后进行的其他研究暗示了以一种全新的方式控制化学的诱人前景。“这是革命性的，当然挑战了我们对化学反应的看法，”他说有熊他在美国加州大学圣地亚哥分校从事超快光谱学研究。

控制反应速率

虽然合成化学家可能不会很快在他们最喜欢的化学品供应商的目录中看到空腔催化剂，但该领域已经取得了进展。在2018年发布的预印本中，一个团队围绕着Hidefumi Hiura日本NEC公司的一项研究报告称，当把硼氨放在含有水极化激元的腔内时，硼氨的水解速率增加了1万倍。²去年，埃贝森和斯特拉斯堡的团队进行了合作约瑟夫·莫兰展示了如何与真空场耦合改变产品比例反应可以产生两种不同的产物。^3.今年早些时候，科学家们由吴克群平井一夫而且Hiroshi里头还是我来自日本北海道大学的研究人员将空腔调整为酮和醛的羰基拉伸运动，减缓了a的速率普林斯cyclisation高达70%。⁴

学习量子电动力学的人通常不会去上高级有机化学课，反之亦然

Prineha Narang，哈佛大学

“我们能在多大程度上推动这些变化?”计算材料科学家问道Prineha纳来自美国哈佛大学。“我们能不能有一种方法，对一种产品完全有选择性，而对所有其他产品都没有影响，尤其是对那些与技术相关的反应?”她补充说，减少二氧化碳排放就是其中一种反应。

虽然极性化学可能不会成为工业合成的下一个大事件，但将试剂漏斗穿过空腔的流动设置可以提供扩大反应的解决方案。埃雷拉说:“我认为如果能看到三元态的控制化学反应，那就太好了。”“工业上使用的许多光敏剂都依赖于电子成对化。”

他说:“我们的梦想是使用空腔来制定超级选择性的化学方案。乔尔Yuen-Zhou他在美国加州大学圣地亚哥分校从事极化子化学研究。“这仍在开发中，但有可能通过适当的光子结构，这将成为可能。”

然而，到目前为止，研究人员还不能证明真空场催化可以进行其他类型化学不可能或难以完成的反应。艾伯森说:“这就是我们想要证明的。”“但目前，我们正试图了解为什么有些反应会增强，有些反应会减弱的潜在机制。”

到底发生了什么?

在很大程度上，科学家们仍然不了解真空场催化的微观机制。当分子在腔内时，只有一小部分——不到1%——实际上处于极化态。其余的处于暗态，可以比作非成键轨道。在大多数分子保持“黑暗”的情况下，宏观变化究竟是如何发生的仍然是一个谜。

埃雷拉说:“有时证据令人困惑或相互矛盾。”同事们在一篇论文中得出的机制并不适用于另一篇论文中非常相似的分子。“最初，研究人员试图推断极化激元的不可预测行为是由于反应垒的变化等能量变化。

然而，首先理论上⁵然后是实验性的⁶有证据表明，类极性键比非极性键受到的影响更大，这表明振动对称性是解决暗态悖论的关键。Herrera解释说，振动模式可以自然地被真空场自激发或去激发，这取决于它们的偶极对称性——尽管这与反应速率变化之间的联系尚不清楚。

一个能够再现不同化合物行为的模型仍然缺失，更不用说预测了。科学家们所追求的是一套类似于Woodward-Hoffman规则:一些简单的东西却反映了潜在量子力学的复杂性。

迄今为止研究的大多数反应都被空腔减慢而不是加速——这不是化学家通常在催化剂中寻找的东西。但是，为什么会发生这种情况，以及如何加快速度，仍然是悬而未决的问题，熊说。他补充说:“只有我们知道自己需要控制哪些因素，我们才能控制选择。”

尽管如此，通过简单地将试剂放在两个镜子之间进行反应的前景仍然令人感兴趣。袁周说，无论它是否会成为一种通用工具，我认为，就目前而言，我不会说不，但我不会在未来抛弃它。“就像光氧化还原催化一样，你只需要找到正确的反应类别。”

也许会有更多的人参与进来，在这个领域一起工作。纳朗说:“学习量子电动力学的人不经常参加高级有机化学课程，反之亦然——这是一个需要弥合的差距。”“当然，这也是许多令人兴奋的发现的来源。”