超冷分子正准备发掘化学的基础

我们采取化学系统非常简单,“超冷化学研究员说诺亚惠誉来自伦敦帝国理工学院,英国。惠誉在谈论化学的最新,最酷的边界。这里分子冷却到绝对零度以上的1000 -冷比星际空间,以确定难以捉摸的反应中间体,并允许科学家们深入到化学反应的基础。“这是一种新的化学领域,”哈佛大学说,物理学家约翰•多伊尔。

量子力学规则所有的化学反应——但是他们如何做这仍是一个谜。超冷分子的可能。在室温下,反应物居住在一个巨大的数量的量子态- 10¹⁰平均平均只能研究——和交互。可是在极低的温度下可以检测到非经典的交互,解释道坦尼娅Zelevinsky工作,他在哥伦比亚大学laser-cooled分子,我们。不直观,你去观察这些奇怪的现象发生在分子或原子碰撞和反应”。

包罗万象的主题是从头构建一个化学的理解,而不是从上到下

诺亚惠誉,伦敦帝国理工学院

直到最近,科学家发现冷却水温度降到非常低的水平,它的两个核自旋异构体分离与diazenylium离子以不同的速率和反应。这些细节可能看起来不相关的合成化学,其中大多数发生在室温,但“如果你真的知道如何反应发生在一个基本水平,您可以添加额外的能量和累积图片这样的,物理化学家说布丽安娜Heazlewood来自英国牛津大学。

的总体主题是试图建立一个理解化学从头开始而不是从上到下,”惠誉说。Heazlewood认为,这将帮助化学家想出更好的反应模型和联系我们的简短解释实际测量”。在极低的温度下进行的,即使是一个简单的亲核加成可以提供一些惊喜。我们能停止反应,中间体陷阱?我们能确认是什么本科化学教科书实际上是发生了什么?“Heazlewood奇迹。

激光冷却

但冷却分子一百万倍——从室温低于1 mk -远非微不足道。技术一直是一个最喜欢的物理学家几十年来,在化学中站稳脚跟,现在,激光冷却(见框)。激光冷却原子可以降低速度,以至于他们可以冷却到约1000000绝对零度以上或1μk。2015年,研究人员创造了一个新的纪录,激光冷却粒子在钠钾合金绝对零度以上的500/1000000000——宇宙中最酷的分子。¹

化学物理学家的长期梦想是做量子控制合成

坦尼娅Zelevinsky,哥伦比亚大学

这些分子,然而,并没有从室温气体冷却,但从已经冷原子组装——一个看似迂回的方法在激光冷却根植于分子的行为方式。对于化学家来说有一个问题,因为他们处理分子比原子更感兴趣。与原子相比,然而,复杂分子的能级结构激光冷却使他们指数更困难。

冷阱

然而,科学家们正在取得进展在冷却分子。我认为这是非常令人兴奋的,人们开始像氟化钙——最近的一次成功来自哈佛大学和帝国理工学院“^2.3说你们6月研究超冷物质在科罗拉多大学博尔德。我认为作为化学家氟化钙的分子?也许不是最令人兴奋的一个,但你仍然可以使用它们来研究分子碰撞或分子散射。

“我们正在迅速走向越来越大的分子,”道尔同意。2017年,他的团队第一个三原子激光冷却的物种,氢氧化锶自由基,小于1可。⁴柯南道尔认为,这种方法也可以适用于其他碱土金属pseudofluorides,像甲醇锶。⁵的关键思想是金属氧键的结果在一个电子的轨道被推离氧气。电子就像它的原子而不是在一个分子和其他分子只是凑热闹而已,”他解释说。这还没有被证明在实验室,但理论非常强劲。我想说分子异丙醇盐(将温度冷却到microkelvin)在五年内肯定。”

量子控制合成的圣杯理解基本的化学过程

哈佛大学约翰•道尔

现在,研究人员想要研究更复杂的分子必须依靠其他方法如库仑水晶捕获。碱土金属离子被困在一个电场形成有序的安排——库仑晶体可以固定其他离子在其晶格。激光冷却晶格离子间接冷却被困的物种。

库仑水晶捕获允许科学家研究分子更复杂的比直接激光冷却。早在2009年,研究人员被困三萜甘草次酸150年钡离子晶体可研究生物分子的光解速率。⁶最近,Heazlewood multi-atom反应团队已经开始工作,如氙阳离子之间的电荷交换和困氨在1 k左右。⁷

然而,“大多数分子离子研究库仑晶体内部不冷的,Heazlewood解释道。虽然被困的物种是由定义不动,转动和振动能级可以填充好像他们是在室温下实验室的长椅上坐着。温度这个词是在社区讨论很多。这个词假设一切都处于平衡状态,但可以有相当大的区别平移和内部能量,Heazlewood说。

使内部冷困分子,Heazlewood的团队是一个致力于低温设置数量。“我不认为这将是一个特定的技术,将使我们能够冷却各种各样的分子——我们没有这种神奇的子弹,”叶说。

相反,结合技术可能是前进的方向。Kang-Kuen倪美国哈佛大学的团队,激光冷却铯和钠原子,然后被困在光镊每个之一,将他们结合在了一起形成一个分子在photoassociation反应。而原子力显微镜允许化学家操纵单个原子在固体、镍的实验带路,而从表面化学。

热的未来

化学物理学家的长期梦想是做量子控制合成、“Zelevinsky说。她描述的想法把分子放在一个旋转,振动,电子和超精细的状态,发现这如何影响他们的反应。如果你有一个大的分子,你可以控制它的量子态可以想象使用定做光脉冲打破分子在任何特定债券网站,它目前是不可能的,”Zelevinsky补充道。

(量子控制合成)是圣杯的理解基本的化学过程,”多伊尔说。但材料科学也可能受益超冷分子帮助科学家们发现有磁性的性质或超导出现。超冷分子甚至可以与大型强子对撞机在寻找宇宙的物理本质的答案。

此外,惠誉认为超冷分子会让漂亮的量子位元的,量子计算机的基本单位。复杂分子的能级系统——究竟是什么让他们如此努力激光冷却,可能会变成计算控制旋钮。但是否超冷分子实际上是一个可行的解决方案仍然是未知的,”惠誉指出。我们从技术转变到科学问题,“Zelevinsky说。Heazlewood表示赞同:“我认为这个领域正朝着反应通常更有趣的学习以外的社区——尽管我认为仍有有时缺乏沟通(化学和物理之间的社区)什么是有趣的,什么是值得研究的。

“科学的方式是,可能会有一些原因推动一个字段,但是研究最终出来的,可能没有人曾经猜测,”多伊尔说。我们正在分子数量级比10年前冷和科学史表明我们真的会发生不可思议的事情。”