أجرى علماء معهد وايزمان للعلوم تفاعلات كيميائية عند درجة حرارة قريبة من الصفر المطلق

عند درجات حرارة منخفضة جدًا، قريبة من الصفر المطلق، قد تحدث التفاعلات الكيميائية بمعدل أسرع بكثير مما توقعته الكيمياء الكلاسيكية، لأنه عند درجات الحرارة هذه تلعب الظواهر الكمومية دورًا

في درجات حرارة منخفضة جدًا، قريبة من الصفر المطلق، قد تحدث التفاعلات الكيميائية بمعدل أسرع بكثير مما توقعته الكيمياء الكلاسيكية، لأنه في درجات الحرارة هذه تلعب الظواهر الكمومية دورًا. وقد قام فريق من العلماء من معهد وايزمان للعلوم بالتحقق من هذه الفرضية النظرية تجريبيا. لا تقدم النتائج التي توصلوا إليها رؤى جديدة في عالم الكم حيث تتصرف الجسيمات أيضًا كموجات، ولكنها قد تشرح أيضًا كيفية حدوث التفاعلات الكيميائية في المساحات المتجمدة من الفضاء.

ترى النظريات القديمة أنه عند درجات الحرارة المنخفضة، تتسبب الظواهر الكمومية في إنشاء رابطة كيميائية مؤقتة، والتي "تجبر" الذرات والجزيئات المتصادمة على الإحاطة ببعضها البعض - بدلاً من الابتعاد (التشتت) عن موقع الاصطدام. تتمتع الذرات والجزيئات الموجودة في هذا النوع من الروابط بفرص أكبر للتفاعل وإجراء التفاعلات الكيميائية. ووفقا لهذه الفرضية، فحتى التفاعل الكيميائي الذي تكون فرص حدوثه في العالم الطبيعي ضئيلة، يمكن أن يتم بوتيرة سريعة نسبيا، في العالم البارد حيث توجد الروابط الكيميائية المؤقتة.

نجح الدكتور إد نارفيسيوس وأعضاء مجموعته من قسم الفيزياء الكيميائية في كلية الكيمياء مؤخراً في إجراء تفاعل كيميائي عند درجة حرارة جزء من مئة درجة فوق الصفر المطلق (0.01 درجة كلفن - قريبة من سالب 273 درجة مئوية) . ونشرت النتائج التي توصلوا إليها هذا الأسبوع في المجلة العلمية ساينس.
يقول الدكتور ناريفيتشيوس: "في الكيمياء الكلاسيكية، نفكر في التفاعلات الكيميائية من حيث الاصطدامات بين كرات البلياردو، فقط على المقياس الذري". "وفقًا لهذه الصورة الكلاسيكية، تمنع حواجز تفاعل الطاقة الكرات من الاقتراب من بعضها البعض. من ناحية أخرى، في عالم فيزياء الكم، تستطيع الكرات المرور عبر الحواجز عن طريق الأنفاق، لأنها في درجات الحرارة المنخفضة للغاية هذه تكتسب خصائص موجية.

بدأت الجهود المبذولة لمراقبة الظواهر الكمومية أثناء التفاعلات الكيميائية منذ حوالي نصف قرن، مع التجارب الرائدة التي أجراها دادلي هيرشباخ وإيوان تي. لي، الذي فاز لاحقًا بجائزة نوبل. وتمكنوا من ملاحظة التفاعلات الكيميائية الناتجة عن اصطدام شعاعين جزيئيين بالموجات فوق الصوتية. ومع ذلك، تحدث هذه التصادمات بسرعات نسبية عالية، والتي يتم التعبير عنها في درجة حرارة التفاعل أعلى من 100 درجة مئوية، وهي درجة حرارة شديدة جدًا بحيث لا تسمح بحدوث الظواهر الكمومية. ومنذ تلك التجارب الرائدة، استخدم العلماء مجموعة متنوعة من الأساليب، بما في ذلك تغيير زاوية الحزم وإبطاء سرعتها إلى التوقف التام. باستخدام هذه الأساليب، تمكنوا من خفض درجة الحرارة إلى 5 درجات كلفن: أقرب إلى الصفر المطلق، لكنها لا تزال غير باردة بدرجة كافية لمراقبة الظواهر الكمومية.

الابتكار الذي قدمه الدكتور ناريفيتشيوس وأعضاء فريقه، والذي ضم ألون هانسون، وساشا غيرستين، ويوفال شيخ، وجوليا ناريفيتشيوس، هو دمج الشعاعين - بدلاً من التسبب في اصطدامهما ببعضهما البعض. تم إنشاء شعاع واحد وإطلاقه في خط مستقيم، بينما تم صنع الشعاع الثاني لينحني (باستخدام مجال مغناطيسي) حتى يتحرك بالتوازي مع الشعاع الأول. وبهذه الطريقة، وعلى الرغم من السرعة العالية للأشعة، إلا أن السرعة النسبية للجزيئات التي تلتقي ببعضها البعض كانت منخفضة جدًا. وهكذا تمكنوا من الوصول إلى درجة حرارة لا تتجاوز مائة درجة فوق الصفر المطلق. يحتوي أحد الشعاعين على ذرات هيليوم مثارة، بينما يحتوي الشعاع الآخر على ذرات الأرجون أو جزيئات الهيدروجين. وفي التفاعل الكيميائي الناتج، تتأين ذرات الأرجون أو جزيئات الهيدروجين، أي أنها تطلق إلكترونات.

ولاختبار ما إذا كانت الظواهر الكمومية قد ظهرت أثناء التأين، قام العلماء بفحص معدل التفاعل عند طاقات مختلفة. وأظهرت القياسات أنه عند طاقات الاصطدام العالية، تسود القوانين الكلاسيكية: ينخفض ​​معدل التفاعل مع انخفاض درجة الحرارة. ولكن عندما انخفضت درجة الحرارة إلى أقل من 3 درجات كلفن، انحرفت النتائج عن التوقعات الكلاسيكية المتوقعة، وبدأ معدل التفاعل في الزيادة والنقصان بالتناوب. أثبتت هذه القياسات أنه في هذه المرحلة ظهرت إلى الصورة ظاهرة كمومية معروفة تتمثل في الرنين بعد النفق: عند الطاقات المنخفضة، تبدأ الجسيمات في التصرف كموجات، و"تتسرب" عبر حواجز الطاقة الخاصة بالتفاعل، وتخضع لصراع بناء مع الموجات. عاد بعد الاصطدام. عند طاقات معينة، يتم إنشاء موجات واقفة بهذه الطريقة، مما يعني أن الجسيمات محاصرة لفترات طويلة من الزمن في مدارات دائرية حول بعضها البعض. وبعد هذا الالتقاط، زاد معدل التفاعل الكيميائي بشكل ملحوظ.

يقول الدكتور ناريفيتشيوس: "تعتبر تجربتنا دليلاً تجريبيًا واضحًا على أن معدل التفاعل الكيميائي يمكن أن يتغير بشكل كبير عند درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق". "إلى جانب النتائج المدهشة التي حصلنا عليها، أثبتنا أن طريقتنا تتيح قياسًا فائق الحساسية لديناميات التفاعلات الكيميائية. والشيء الآخر الذي يبرز من النتائج هو أن فهمنا للتفاعلات الكيميائية - حتى أبسطها، مثل التأين - بعيد عن الكمال. يجب علينا إعادة فحص النماذج النظرية الموجودة، وإنشاء نماذج أفضل. ونتوقع أن يتم استخدام طريقتنا لحل العديد من الألغاز التي تنطوي على تفاعلات كيميائية، خاصة تلك التي تحدث في الفضاء، والتي تحدث بطبيعتها في درجات حرارة منخفضة للغاية.