Une équipe de scientifiques comprenant Tim Strobel et Venkata Bhadram de Carnegie rapportent maintenant un comportement quantique inattendu des molécules d'hydrogène, H 2 , piégé dans de minuscules cages faites de molécules organiques, démontrant que la structure de la cage influence le comportement de la molécule emprisonnée à l'intérieur.

Une compréhension détaillée de la physique des atomes individuels interagissant les uns avec les autres au niveau microscopique peut conduire à la découverte de nouveaux phénomènes émergents, aider à guider la synthèse de nouveaux matériaux, et même aider au développement futur de médicaments.

Mais à l'échelle atomique, le classique, dit newtonien, les règles de physique que vous avez apprises à l'école ne s'appliquent pas. Dans l'arène de l'ultra-petit, des règles différentes, régi par la mécanique quantique, sont nécessaires pour comprendre les interactions entre atomes où l'énergie est discrète, ou non continu, et où la position est intrinsèquement incertaine.

L'équipe de recherche, dont Anibal Ramirez-Cuesta, Luc Daemen, et Yongqiang Cheng du Laboratoire national d'Oak Ridge, ainsi que Timothy Jenkins et Craig Brown du National Institute of Standards and Technology-used spectroscopic tools, y compris le spectromètre à neutrons inélastiques de pointe appelé VISION à la source de neutrons de spallation, pour examiner la dynamique au niveau atomique d'un type particulier de structure moléculaire appelé clathrate.

Les clathrates consistent en une structure en treillis qui forme des cages, piégeant d'autres types de molécules à l'intérieur, comme une prison à l'échelle moléculaire. Le clathrate que l'équipe a étudié, appelé β-hydroquinone, composé de cages faites de molécules organiques qui piègent H 2 . Un seul H 2 molécule est présente à l'intérieur de chaque cage, ainsi le comportement quantique des molécules isolées a pu être examiné en détail.

« Des exemples pratiques de particules isolées à influence quantique qui sont piégées à l'intérieur d'espaces bien définis offrent la possibilité de sonder la dynamique dans des conditions approchant la perfection de la simulation, " expliqua Strobel.

L'équipe de recherche a pu observer comment la molécule d'hydrogène vibrait et tournait dans la cage. Étonnamment, le mouvement de rotation observé était différent de celui de H 2 piégés dans des systèmes apparentés dans lesquels les molécules peuvent tourner presque librement dans toutes les directions.

"Le comportement que nous avons observé ici est similaire au comportement de H 2 molécules qui adhèrent à une surface métallique, " expliqua Strobel. " C'est la première fois que ce comportement, connu par les physiciens comme un rotor encombré bidimensionnel, a été observé pour l'hydrogène piégé dans un clathrate moléculaire.

Il s'avère que la structure locale de la cage clathrate influence grandement la dynamique de H 2 , provoquant une préférence pour la rotation en deux dimensions malgré le fait qu'il n'y a pas de liaisons chimiques impliquées. En plus des connaissances fondamentales, cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour la conception de matériaux de stockage d'hydrogène qui peuvent piéger H 2 pour les applications énergétiques et de transport.