Квантовая механика способствует образованию сложных веществ в космосе

16.07.2013, Илья Хель 10

Молекулы, плавающие в темном холодном вакууме межзвездного пространства могут использовать квантовую механику, чтобы реагировать и создавать более сложные химические вещества. Так говорит одно из последних исследований. Реакции объясняются путем работы хитроумных свойств квантовой физики (о которой мы знаем на удивление мало), что вполне может быть ключом к созданию сложных органических молекул. В том числе — и жизненно необходимых.

Молекула

Астрономам давно известно, что звезды являются «фабриками» по производству химических элементов, но только недавно ученые обнаружили сложные органические молекулы, циркулирующие в облаке газа и пыли в космосе. Формирование этих химических веществ, включающих спирты, сахара и даже компонент смолы, сложно объяснить, поскольку молекулы в космосе очень редко сталкиваются.

В прошлом году астрономы обнаружили молекулу метокси-, или CH3O, в облаке газа. Она формируется, когда гидроксильная группа (OH) взаимодействует с метанолом (CH3OH). Тем не менее реакция требует больше энергии, чем можно получить в пространстве, где температуры колеблются чуть выше абсолютного нуля.

Особо не интересуясь этой загадочной реакцией, Дуэйн Херд и его команда в Университете Лидса в Англии исследовали реактивность гидроксила с другими молекулами, в том числе и метанола. В ходе работы исследователи поместили два реагента вместе в криогенный сосуд. К их удивлению, реакция произошла примерно в 50 раз быстрее при температуре -210 градусов по Цельсию, чем при комнатной температуре, хотя охлажденным молекулам требовалось гораздо меньше энергии для работы.

Команда Херда связывает свое открытие с явлением квантового туннелирования. Как правило, химическая реакция происходит только если реагирующие молекулы обладают достаточной энергией для преодоления порога под названием энергетический барьер, образно представляемый как холм. Своеобразное следствие квантовой механики таково, что иногда молекулы могут «взбираться» на этот холм и без необходимой энергии.

«Частица может идти напролом сквозь подножье горы, словно горы и нет», — говорит Эрик Хербст, астрохимик из Университета Вирджинии в Шарлоттсвиле.

Херд и коллеги выяснили, что шансы на квантовое туннелирование вырастают при понижении температуры, поскольку медленные молекулы гидроксила и метанола скорее будут держаться вместе, нежели отталкиваться при столкновении. Такая странная связь предоставляет больше возможностей для туннелирования через энергетический барьер, тем самым ускоряя реакцию. По оценке Херда, 1 из 10 гидроксил-метаноловых столкновений в космосе производит метокси; без квантового туннелирования шанс упадет до 1 к 10 миллионам.

Другие межзвездные молекулы могут быть обязаны своим существованием квантовой механике. Это не уникальный случай. Найдутся и другие реакции.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.