С того самого времени, как человек осуществил первую химическую реакцию, ему не давал покоя целый ряд вопросов: как именно происходят данные процессы? Почему вещества реагируют друг с другом именно так, а не иначе? Как протеканием химической реакции можно управлять? Поиск ответов привел к созданию широкого разнообразия методов исследования химических реакций на уровне взаимодействия атомов и молекул с учетом их квантовой структуры. Одни из них не так давно разработал Алексей Бучаченко, профессор Сколковского института науки и технологий, Московского государственного университета и главный научный сотрудник Института проблем химической физики РАН. С помощью этого метода можно предсказать как минимум верхний порог скорости химической реакции в пределе сверхнизких температур с очень высокой точностью. А также установить, какое влияние на процесс протекания реакции имеют внешние факторы.
Долгое время изучение процессов протекания химических реакций, в том числе и самых важных, шло достаточно медленно. Конечно же, ученые понимали не только то, что при смешивании веществ может произойти реакция и образуются новые вещества. В XIX веке было отлично известно, что внешние условия – температура и давление, например, влияют и на скорость, и на выход продуктов реакции, а катализ уже стал основой самых масштабных производственных процессов. На первую половину XX века пришелся расцвет химической кинетики – науки о механизмах скоростях протекания химических реакций.
Создание квантовой механики и, во многом, развитие экспериментальных и вычислительных возможностей привело к переходу на новый уровень понимания химических реакций – уровень химической динамики. В отличие от химической кинетики, которая рассматривает конкретные вещества (кинетические уравнения описывают изменение во времени концентрации индивидуальных молекул – участников реакции) и не всегда способна установить природу таких изменений, объектом интереса химической динамики является изменение во времени заселенностей квантовых состояний реагентов и продуктов. Химическая динамика исследует эти изменения в масштабе элементарного акта – единичной «встречи» двух (много реже – трех) молекул.
Прорыв в атомной физике низких температур дал новый импульс развитию химической динамики. Создание низкотемпературных ансамблей – «холодных» и «ультрахолодных» атомов и молекул позволило изучать химические реакции при температурах, лишь на милионные и тысячные доли градуса выше абсолютного нуля. Какие могут быть реакции при таких температурах, когда реагенты бесконечно медленно движутся друг относительно друга? Такие, в которых разрыв одной химической связи с образованием другой не требует дополнительных затрат энергии, так называемые «безбарьерные» реакции, обычно с участием радикалов (систем с неспаренным электроном) или ионов. Если применить для описания таких реакций классическую механику, описывающюю объекты нашего макромира, то окажется, что скорость безбарьерной реакции при приближении к абсолютному нулю температуры возрастает до бесконечности!
Причина этого абсурдного результата – нарушение классических представлений о движении реагентов. При низких температурах (лучше говорить о низких кинетических энергиях движения частиц) квантовые эффекты становятся важными не только для внутренних степеней свободы молекулы, но и для ее движения, как целого. Хорошо известен один из «парадоксов» квантовой механики – корпускулярно-волновой дуализм. Как только длина волны Де Бройля, характеризующая квантовую частицу определенной массы и энергии, становится сравнимой с характерным масштабом взаимодействия частиц, законы классической механики перестают выполняться. Последовательное рассмотрение динамики безбарьерной реакции на языке квантовой механики дает правильный результат – в пределе абсолютного нуля скорость реакции является конечной.
Эти качественные заключения хорошо известны. Однако, как часто бывает в теории, рассматривать предельные ситуации, например, динамику при абсолютном нуле, существенно проще, чем моделировать условия реальных экспериментов. Для этого нужны численные методы, позволяющие решать уравнения квантовой механики с высокой точностью. Один из таких методов был предложен для динамики безбарьерных реакций профессором Алексей Бучаченко, который известен своими работами в области молекулярной спектроскопии, химической динамики, а также теории межмолекулярного взаимодействия.
Недавно Алексей Бучаченко совместно с Тимуром Щербулем из Университета Торонто в Канаде провел интересное исследование, результаты которого были опубликованы в New Jornal of Physics (http://iopscience.iop.org/1367-2630/17/3/035010/). Ученые исследовали химическую реакцию Li + CaH → LiH + Са в интервале температур от 10-8 до 100 градусов Кельвина и установили, при каких температурах происходит переход от классического поведения к квантовому. Оказалось, что законы классической механики разумно работают при существенно более низких температурах, чем считалось ранее. Более того, для получения разумных оценок константы скорости реакции даже вблизи абсолютного нуля классические модели легко совместить с известными предельными формулами квантовой механики. Выбор довольно экзотической для химии реакции в этом исследовании объясняется просто: методы получения ансамблей холодных молекул весьма ограничены и гидрид кальция, наравне с димерами щелочных металлов, является одной из немногих молекул, доступных для эксперимента. Эксперимент с реакцией Li + CaH → LiH + Са при температуре около 1 градуса Кельвина был проведен в группе профессора Джонотана Вайнштейна в унивеситете Невады три года назад и именно его теоретики использовали для проверки точности своих моделей и методов.
Ученые убеждены, что предложенный ими метод можно использовать при изучении эффектов межмолекулярного взаимодействия в химических реакциях с участием других молекулярных радикалов, например, ОН, NH и более сложных. По их мнению, достоинством этого метода является возможность учета влияния на динамику внешних электромагнитных полей. Хорошо известно, например, что магнитное поле расщепляет вырожденные квантовые состояния атомов и молекул (на этом принципе – эффекте Зеемана – работают мощные методы ядерного магнитного и электронного магнитного резонанса). Эти расщепления слишком малы по сравнению с кинетической энергией молекул при обычных температурах. При низких температурах, однако, возбуждение магнитных подуровней должно столь же сильно влиять на реакционную способность, как и возбуждение внутренних степеней свободы реагента.
Таким образом, благодаря исследованиям профессора Бучаченко появился еще один метод исследования химических реакций. Он может помочь ученым исследовать процессы взаимодействия веществ в пределе низких температур и, возможно, управлять химическими реакциями при помощи внешних полей.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
