Dans les molécules, certains groupes d'atomes sont capables de tourner. Ce mouvement se produit sous l'influence de stimuli aléatoires de l'environnement, et n'est pas continue, mais se produit par sauts. On pense généralement que de tels sauts se produisent d'une manière typique des objets classiques, comme une pale de ventilateur poussée par un doigt. Les chimistes des instituts de l'Académie polonaise des sciences à Varsovie ont, cependant, rotations observées qui suivent les règles non intuitives du monde quantique. Il s'avère que dans les conditions appropriées, les rotations quantiques peuvent très bien imiter la normale, rotation classique.

Le professeur Slawomir Szymanski de l'Institut de chimie organique de l'Académie polonaise des sciences (IOC PAS) à Varsovie est certain que des phénomènes de nature quantique beaucoup plus exotiques et non intuitifs sont responsables de certains des effets observés dans les molécules. Pendant des années, il a développé un modèle quantique des rotations de saut de groupes entiers d'atomes dans les molécules. Les travaux théoriques du Pr Szymanski viennent de trouver une nouvelle confirmation dans les expériences menées à l'Institut de Chimie Physique du PAS (IPC PAS) par un groupe dirigé par le Dr Piotr Bernatowicz, et décrit dans le Journal de physique chimique .

« En chimie, la mécanique quantique est utilisée presque exclusivement pour décrire le mouvement de minuscules électrons. Noyaux atomiques, même ceux aussi simples que le noyau à proton unique de l'hydrogène, sont considérés comme trop grands et massifs pour être soumis à des effets quantiques. Dans notre travail, nous prouvons que cette vue commode mais très simpliste doit enfin commencer à changer, au moins par rapport à certaines situations, " dit le Pr Szymanski.

Le modèle de rotation quantique du professeur Szymanski décrit la rotation de groupes atomiques composés d'éléments identiques, par exemple. atomes d'hydrogène. La dernière parution, réalisé en coopération avec le groupe du Dr Bernatowicz, concerne les groupes méthyle CH3. Dans leur structure, ces groupes rappellent de minuscules hélices. Il y a trois atomes d'hydrogène autour de l'atome de carbone espacés à intervalles égaux. On sait depuis longtemps que les groupements méthyle reliés par un atome de carbone aux molécules peuvent effectuer des sauts de rotation. Tous les atomes d'hydrogène peuvent tourner simultanément à 120 degrés autour du carbone. Ces rotations ont toujours été traitées comme un phénomène classique dans lequel des « boules » d'hydrogène sautent simplement dans les « puits » adjacents qui viennent d'être libérés par leurs voisins.

"En utilisant la résonance magnétique nucléaire, nous avons effectué des mesures difficiles mais précises sur des poudres de monocristaux de triphényléthane, un composé de molécules contenant chacune un groupe méthyle. Les résultats ne laissent aucun doute. Les formes des courbes que nous avons enregistrées, spectres dits de résonance de poudre, ne peut s'expliquer que par l'hypothèse que les phénomènes quantiques sont responsables des rotations des groupes méthyle, " dit le Dr Bernatowicz.

Les mesures de la rotation des groupes méthyle par résonance magnétique nucléaire ont nécessité un contrôle précis de la température des substances pulvérulentes. En effet, la nature quantique de la rotation ne devient clairement visible que dans une plage de température étroite. Lorsque la température est trop basse, la rotation s'arrête, et quand il est trop haut, les rotations quantiques deviennent indiscernables des classiques. Les températures des expériences à l'IPC PAS, dans laquelle la nature quantique des rotations était clairement visible, variait de 99 à 111 Kelvin.

Une nouvelle image de la réalité chimique émerge de cette recherche. Le groupe CH3 dans la molécule n'est plus un simple rotor composé d'un noyau de carbone et de trois atomes d'hydrogène liés de manière rigide. Sa nature réelle est différente :aucun atome d'hydrogène n'occupe une position distincte dans l'espace. Quoi de plus, chacun d'eux se mélange continuellement de manière quantique avec les deux autres. Dans les bonnes conditions, le groupe méthyle, bien que constitué de plusieurs atomes, s'avère être un célibataire, entité quantique cohérente qui ne ressemble à aucun objet que nous connaissons du monde quotidien.

Une description du mouvement classique des rotateurs atomiques peut être construite en utilisant une constante mesurant la fréquence moyenne de ses sauts. Il s'avère que dans le modèle quantique, il doit y avoir deux de ces constantes et elles dépendent de la température. Quand la température monte, les deux constantes prennent une valeur similaire et les rotations du groupe méthyle commencent à ressembler aux rotations classiques.

« Dans nos mesures, nous avons vraiment observé la transformation progressive des rotations quantiques des groupes méthyles en rotations difficiles à distinguer des rotations classiques. Cet effet doit être bien compris. Les phénomènes quantiques n'ont pas cessé de fonctionner, mais d'une certaine manière imité les sauts classiques, " explique le Dr Bernatowicz.

Les scientifiques de l'IPC PAS et de l'IOC PAS avaient déjà confirmé l'exactitude du modèle de rotation quantique dans des expériences avec des groupes méthyle (entre autres dans des molécules de diméthyl triptycène, où ces effets étaient accompagnés de changements dynamiques dans le réseau cristallin). Cependant, prédictions concernant les rotations d'une structure atomique beaucoup plus complexe, le cycle benzénique C6H6, attendre la vérification expérimentale.

« Notre recherche est de nature fondamentale, et il est difficile de parler ici tout de suite d'applications spécifiques, " note le Pr Szymanski, ajouter, « Il convient de souligner, cependant, que les effets quantiques sont considérés comme extrêmement sensibles à l'environnement. Les chimistes et les physiciens supposent que dans des environnements très denses, ils sont détruits par les mouvements thermiques de l'environnement. On observe des effets quantiques à des températures relativement élevées, en plus dans les milieux condensés :liquides et cristaux. Les résultats que nous obtenons doivent donc être un avertissement pour les chimistes ou les physiciens qui aiment les interprétations simplistes."

L'imitation de la physique classique par les phénomènes quantiques, de plus dans un environnement dense et relativement chaud, est un effet surprenant qui devrait attirer l'attention de, entre autres, les constructeurs de nanomachines. En concevant des dispositifs moléculaires plus petits, ils peuvent passer involontairement du monde de la physique classique au monde des phénomènes quantiques. Dans de nouvelles conditions, le fonctionnement des nanomachines pourrait soudainement cesser d'être prévisible.