Molecole catturate nel tunneling per la prima volta

Innovazione per la modellazione delle reazioni di tunneling nella chimica molecolare.

Le reazioni di tunneling in chimica sono molto difficili da prevedere. La descrizione quantomeccanicamente esatta delle reazioni chimiche con più di tre particelle è difficile, con più di quattro particelle è quasi impossibile. I teorici simulano queste reazioni con la fisica classica e devono trascurare gli effetti quantistici. Ma dov’è il limite di questa descrizione classica delle reazioni chimiche, che può fornire solo approssimazioni?


Roland Wester del Dipartimento di Fisica Ionica e Fisica Applicata del Università di Innsbruck desiderava da tempo esplorare questa frontiera. “Richiede un esperimento che consenta misurazioni molto precise e che possa ancora essere descritto in modo quantomeccanico”, afferma il fisico sperimentale. “L’idea mi è venuta 15 anni fa durante una conversazione con un collega durante una conferenza negli Stati Uniti”, ricorda Wester. Voleva tracciare l’effetto tunnel quantomeccanico in una reazione molto semplice.

Poiché l’effetto tunnel rende la reazione molto improbabile e quindi lenta, la sua osservazione sperimentale è stata straordinariamente difficile. Dopo diversi tentativi, tuttavia, il team di Wester è riuscito a fare proprio questo per la prima volta, come riportano nell’attuale numero della rivista Natura.

Una svolta dopo 15 anni di ricerca

Il team di Roland Wester ha scelto l’idrogeno, l’elemento più semplice dell’universo, per il suo esperimento. Hanno introdotto il deuterio, un isotopo dell’idrogeno, in una trappola ionica, lo hanno raffreddato e poi hanno riempito la trappola con idrogeno gassoso. A causa delle temperature molto basse, gli ioni di deuterio caricati negativamente non hanno l’energia per reagire con le molecole di idrogeno nel modo convenzionale. In casi molto rari, tuttavia, si verifica una reazione quando i due si scontrano.


Ciò è causato dall’effetto tunnel: “La meccanica quantistica consente alle particelle di sfondare la barriera energetica a causa delle loro proprietà ondulatorie quantomeccaniche e si verifica una reazione”, spiega il primo autore dello studio, Robert Wild. “Nel nostro esperimento, diamo possibili reazioni nella trappola per circa 15 minuti e poi determiniamo la quantità di ioni idrogeno formati. Dal loro numero possiamo dedurre quante volte si è verificata una reazione».

Nel 2018, i fisici teorici avevano calcolato che in questo sistema il tunneling quantistico si verifica solo in una collisione su cento miliardi. Ciò corrisponde molto da vicino ai risultati ora misurati a Innsbruck e, dopo 15 anni di ricerca, per la prima volta conferma un modello teorico preciso per l’effetto tunnel in una reazione chimica.

Base per una migliore comprensione

Ci sono altre reazioni chimiche che potrebbero sfruttare l’effetto tunnel. Per la prima volta è ora disponibile una misurazione ben compresa anche nella teoria scientifica. Sulla base di ciò, la ricerca può sviluppare modelli teorici più semplici per le reazioni chimiche e testarli sulla reazione che ora è stata dimostrata con successo.

L’effetto tunnel viene utilizzato, ad esempio, nel microscopio a effetto tunnel e nelle memorie flash. L’effetto tunnel è utilizzato anche per spiegare il decadimento alfa dei nuclei atomici. Includendo l’effetto tunnel, si possono spiegare anche alcune sintesi astrochimiche di molecole nelle nubi oscure interstellari. L’esperimento del team di Wester pone così le basi per una migliore comprensione di molte reazioni chimiche.


Riferimento: “Tunneling misurato in una reazione ione-molecola molto lenta” di Robert Wild, Markus Nötzold, Malcolm Simpson, Thuy Dung Tran e Roland Wester, 1 marzo 2023, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-023-05727-z

La ricerca è stata sostenuta finanziariamente dall’Austrian Science Fund FWF e dall’Unione Europea, tra gli altri.