0
13726
Газета Наука Печатная версия

21.11.2023 17:11:00

Момент превращения веществ удалось «замедлить» в 100 миллиардов раз

Визуализация на атомарном уровне протекания химических реакций становится трендом

Тэги: физика, химия, исследования, технологии


физика, химия, исследования, технологии Слева – литий (зеленый цвет) с тремя электронами; справа – водород с одним электроном. Так образуется гидрид щелочного металла.

Зрители различных соревнований были очень рады, когда на больших стадионных экранах стали показывать решающие моменты игры. Футбольные судьи пользуются системой VAR, то есть визуальным ассистентом рефери, пересматривая спорные игровые моменты, чтобы вынести взвешенное решение. Когда-то была изобретена высокоскоростная фотокамера, делающая до 5 тыс. кадров, реклама которой показывала «застывшую» пулю, пробившую яблоко. Такие скорости позволяют зрителям гонок «Формулы 1» детально рассмотреть проносящиеся перед ними болиды. А фотофиниш фиксирует победителей легкоатлетических забегов с точностью до миллисекунд. Кстати, человек с такой скоростью отдергивает руку от чего-то горячего, а тренированный вратарь отбивает пенальти, реагируя на летящий мяч, через 100 миллисекунд…

Но что делать, когда физико-химические процессы протекают с умопомрачительными скоростями? Известно, что боровские скачки электронов измеряются долями секунды порядка 10–13–10–14. Электрон, возбуждаясь, поднимается на более высокий энергетический уровень, чтобы через краткий миг релаксировать-рекомбинировать и затем вернуться на исходный (ground) уровень. При этом испускается фотон красного свечения – цвета раскаленного железа, лампочки накаливания или биосвечения.

При достаточном возбуждении электроны преодолевают энергетический барьер, отделяющий разные вещества друг от друга. Он может легко преодолеваться, затем следует протекание реакции, как это можно видеть на примере вспышки огнеопасных продуктов или взрыва гремучей смеси водорода с кислородом (водород легко отдает свой электрон кислороду, резко отрицательному).

14-14-1480.jpg
Коническая интерсекция, по форме
напоминающая уходящие от гравитационных
объектов струи-джеты.  Иллюстрации Physorg
Когда-то, после Большого взрыва, родившаяся Вселенная представляла собой кварк-глюонную плазму, разогретую до миллионов градусов. В ней после охлаждения кварки стали образовывать протоны и нейтроны. В ядре водорода – один протон, к которому присоединяется еще один и два нейтрона, порождая (синтезируя) ядро атома гелия. Но так как атомы электрически нейтральны, то положительно заряженные ядра «обзаводятся» электронами, играющими ведущую роль в химических реакциях.

Интересно, что на атомном уровне квантовая картина повторяет ту, что наблюдают астрофизики в глубинах Вселенной. Речь идет о черных дырах и нейтронных звездах, окружающих себя дисками космических газов и пыли, а также вещества звезды-компаньонки (если таковая имеется поблизости). С полюсов некоторых из черных дыр или с нейтронной звезды срываются в космос гигантские струи-джеты, имеющие удлиненные конусы. В квантовой химии сходной формы конусы называют коническими пересечениями (CI – Conical Intersection).

Ученые Сиднейского университета использовали имеющийся у них квантовый компьютер для моделирования химической реакции, ход которой удалось «замедлить» в 100 млрд раз! Авторы работы отмечают, что компьютер позволил им достичь намного большего временного и пространственного разрешения. Тем самым подтверждена справедливость теории, выдвинутой еще в 50-е годы прошлого века. Согласно ей, как раз и была предложена геометрическая форма конических пересечений, в которых сходятся вершины конусов электронной плотности, что обеспечивает протекание реакции.

В качестве иллюстрации приводятся электронные плотности лития и водорода в гидриде этого щелочного металла. Между прочим, литий сегодня стал основным компонентом большинства используемых батарей и батареек.

Ученые обращают внимание на то, что их подход позволяет «манифестировать» четкую форму геометрических фаз взаимодействующих подвижных состояний. Это представляется как преимущество для дальнейших расчетов и предсказаний хода химических реакций. Сейчас это просто невозможно, поэтому химической промышленности не под силу получение продуктов повышенной чистоты.

Можно напомнить, что перед разными видами промышленности стоят пока трудноразрешимые проблемы не только производства тех же батарей с солнечными панелями, но и эффективной очистки сточных вод, а также утилизации всего, что произведено.


Читайте также


Советский Леонардо да Винчи

Советский Леонардо да Винчи

Михаил Стрелец

8 марта исполнится 110 лет со дня рождения великого ученого Якова Зельдовича

0
525
Угрожает ли миру финансовый "нейропузырь"

Угрожает ли миру финансовый "нейропузырь"

Анастасия Башкатова

Стоимость крупнейших IT- и техногигантов больше, чем ВВП целых стран

0
3264
Константин Ремчуков. Маоисты в Китае требуют открытой критики «ревизионистского пути» Дэн Сяопина и публичного оправдания культурной революции

Константин Ремчуков. Маоисты в Китае требуют открытой критики «ревизионистского пути» Дэн Сяопина и публичного оправдания культурной революции

Константин Ремчуков

Мониторинг ситуации в КНР по состоянию на 26.02.24

0
3827
Архитектура черных дыр

Архитектура черных дыр

Александр Спирин

Собирание космических масс может длиться миллиарды лет

0
3702

Другие новости