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Des champs électriques extrêmement importants peuvent empêcher les molécules d'ammoniac en forme de parapluie de s'inverser. – Actualite-sante

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Une molécule d'ammoniac, NH 3 se présente généralement sous la forme d'un parapluie, avec trois atomes d'hydrogène déployés dans un arrangement non plan autour d'un atome d'azote central. Cette structure-parapluie est très stable et devrait normalement nécessiter une grande quantité d'énergie pour être inversée.

Cependant, un phénomène de mécanique quantique appelé tunneling permet à l'ammoniac et à d'autres molécules d'habiter simultanément des structures géométriques séparées par une hauteur prohibitive. barrière d'énergie. Une équipe de chimistes comprenant Robert Field, le professeur de chimie Robert T. Haslam et Bradley Dewey au MIT, a examiné ce phénomène en utilisant un très grand champ électrique pour supprimer l'occupation simultanée de molécules d'ammoniac dans les états normal et inversé. 19659003] "C'est un bel exemple du phénomène de tunneling, qui révèle une merveilleuse étrangeté de la mécanique quantique", a déclaré Field, l'un des principaux auteurs de l'étude.

Heon Kang, professeur de chimie au Seoul National. University, est également l’auteur principal de l’étude, qui paraît cette semaine dans les Actes de la de la National Academy of Sciences . Youngwook Park et Hani Kang de l'Université nationale de Séoul sont également les auteurs du document.

Suppression de l'inversion

Les expériences réalisées à l'Université nationale de Séoul ont été rendues possibles grâce à la nouvelle méthode de recherche des chercheurs très grand champ électrique (jusqu'à 200 000 000 volts par mètre) à un échantillon pris en sandwich entre deux électrodes. Cet assemblage n’a que quelques centaines de nanomètres d’épaisseur et le champ électrique qui lui est appliqué génère des forces presque aussi fortes que les interactions entre molécules adjacentes.

"On peut appliquer ces champs énormes, qui ont presque la même ampleur que les champs deux molécules expérimentent quand elles s’approchent ", dit Field. "Cela signifie que nous utilisons des moyens externes pour opérer sur un pied d'égalité avec ce que les molécules peuvent faire elles-mêmes."

Cela a permis aux chercheurs d'explorer le tunneling quantique, un phénomène souvent utilisé dans les cours de chimie de premier cycle pour démontrer l'un des les "fantasmagories" de la mécanique quantique, dit Field.

Par analogie, imaginez que vous faites de la randonnée dans une vallée. Pour atteindre la prochaine vallée, vous devez gravir une grande montagne, ce qui demande beaucoup de travail. Maintenant, imaginez que vous puissiez creuser un tunnel à travers la montagne pour vous rendre à la prochaine vallée, sans aucun effort réel requis. C’est ce que permet la mécanique quantique, sous certaines conditions. En fait, si les deux vallées ont exactement la même forme, vous seriez simultanément situé dans les deux vallées.

Dans le cas de l'ammoniac, la première vallée est l'état de parapluie stable, à basse énergie. Pour que la molécule atteigne l'autre vallée – l'état inversé, qui a exactement la même énergie faible -, il faudrait classiquement qu'elle atteigne un état d'énergie très élevée. Cependant, de manière quantique, la molécule isolée existe avec une probabilité égale dans les deux vallées

En mécanique quantique, les états possibles d'une molécule, tels que l'ammoniac, sont décrits en fonction d'un diagramme de niveau d'énergie caractéristique. La molécule existe initialement dans la structure normale ou inversée, mais elle peut se connecter spontanément à l’autre structure. La quantité de temps requise pour que ce tunnel se produise est codée dans le modèle de niveau d'énergie. Si la barrière entre les deux structures est haute, le temps de tunneling est long. Dans certaines circonstances, telles que l'application d'un champ électrique puissant, il est possible de supprimer les tunnels entre les structures normales et inversées.

Pour l'ammoniac, l'exposition à un champ électrique puissant diminue l'énergie d'une structure et élève celle de l'autre ( inversé) structure. En conséquence, toutes les molécules d'ammoniac peuvent être trouvées dans l'état d'énergie plus faible. Les chercheurs l'ont démontré en créant une structure stratifiée argon-ammoniac-argon à 10 kelvins. L'argon est un gaz inerte solide à 10 K, mais les molécules d'ammoniac peuvent tourner librement dans le solide d'argon. Au fur et à mesure que le champ électrique augmente, les états énergétiques des molécules d'ammoniac changent de telle sorte que les probabilités de trouver les molécules dans les états normal et inversé deviennent de plus en plus éloignées et qu'aucun tunnel ne peut se produire.

Cet effet est complètement réversible et non destructif: à mesure que le champ électrique diminue, les molécules d'ammoniac retrouvent leur état normal simultanément dans les deux puits.

Abaissement des barrières

Pour de nombreuses molécules, la barrière au tunnel est si élevé que la création de tunnels ne se produira jamais pendant la durée de vie de l'univers, dit Field. Cependant, il existe des molécules autres que l'ammoniac qui peuvent être induites en tunnel par un réglage minutieux du champ électrique appliqué. Ses collègues s’emploient maintenant à exploiter cette approche avec certaines de ces molécules.

"L’ammoniac est spécial en raison de sa haute symétrie et du fait que c’est probablement le premier exemple jamais présenté par un chimiste du point de vue chimique." Dit le champ. "Cependant, il existe de nombreux exemples où cela pourrait être exploité. Le champ électrique, du fait de sa taille, est capable d'agir à la même échelle que les interactions chimiques réelles", offrant un moyen puissant de manipuler de manière externe la dynamique moléculaire.

La recherche a été financée par la Samsung Science and Technology Foundation et la National Science Foundation.

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