Новая теория может решить квантовый «пазл» управления химическими реакциями

Автор: Pixabay/CC0 Public Domain

До сих пор химики использовали температуру, давление, свет и другие методы для ускорения или замедления химических реакций. Теперь исследователи из Университета Рочестера разработали теорию, объясняющую альтернативный способ контроля реакций — без тепла или света, а через квантовое окружение молекул.

В статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society, учёные — включая Фрэнка Хьюо, декана и профессора физической химии, а также аспирантов Себастьяна Монтильо и Вэньсяна Ина — утверждают, что традиционные теории, предсказывающие скорость реакций, могут не учитывать квантовые эффекты в условиях взаимодействия света и материи.

Для решения этой проблемы они разработали новую теорию, объясняющую, как квантовые эффекты — в частности, явление «сильной вибрационной связи» (VSC) — могут влиять на химические процессы. Этот феномен наблюдался в экспериментах, но новая теория помогает понять его механизм, что может привести к созданию более точных и энергоэффективных технологий в производстве, медицине и материаловедении.

«Наша работа, возможно, впервые даёт теорию, объясняющую экспериментально наблюдаемые явления», — говорит Хьюо. — «Она показывает, что квантовое окружение само по себе может влиять на химию неожиданными способами, открывая путь для новых материалов и технологий».

Разгадка квантовой головоломки

В 2016 году учёные обнаружили неожиданный эффект: скорость химической реакции можно изменить, поместив молекулы в крошечное пространство между двумя золотыми зеркалами на расстоянии в миллионные доли метра. Это создало «оптический микроконтейнер», где квантовая энергия и электромагнитные поля взаимодействовали с естественными колебаниями молекул, замедляя или ускоряя реакции. Этот эффект назвали «сильной вибрационной связью» (VSC).

С тех пор VSC оставался загадкой. В течение пяти лет Хьюо и его коллеги разрабатывали теорию, объясняющую этот феномен, чтобы его можно было использовать и контролировать. С помощью компьютерного моделирования и принципов квантовой механики они создали теорию, которая объясняет, почему VSC возникает (или нет), как изменение силы взаимодействия влияет на скорость реакции и какие перспективы это открывает для химии.

«Это было похоже на решение сложного пазла, где все загадочные аспекты VSC наконец сложились в единую картину», — говорит Хьюо. — «Этот новый подход позволяет избирательно замедлять или ускорять реакции, что может революционизировать синтетическую химию, особенно в разработке лекарств и создании материалов».

Подробнее: Sebastian Montillo Vega et al, Theoretical Insights into the Resonant Suppression Effect in Vibrational Polariton Chemistry, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c03182

Источник: University of Rochester