Ein bedeutender wissenschaftlicher Durchbruch, der neue Perspektiven in der Erforschung molekularer Dynamik eröffnet, wurde von israelischen Forschern erzielt. Wissenschaftler der Ben-Gurion Universität in Zusammenarbeit mit dem Technologisches Institut Technion identifizierten ein Molekül, das einen extrem schnellen Wechsel zwischen einem aromatischen und einem antiaromatischen Zustand vollziehen kann. Dieser außergewöhnliche Prozess wird durch die Prinzipien der Quantentunnelung gesteuert und birgt erhebliches Potenzial für die Weiterentwicklung der Materialwissenschaft.
Im Zentrum der Untersuchung stand das Molekül Dinaphtho-[2,1-a: 1,2-f]pentalene. Sein Kern besteht aus Pentalen, das mit einer doppelten Ringstruktur verbunden ist. Durchgeführte Berechnungen enthüllten eine Asymmetrie in der Elektronenstruktur: Während ein Ring aromatische Eigenschaften aufweist, zeigt der andere Ring antiaromatische Merkmale. Genau dieser interne strukturelle Konflikt ermöglicht es dem System, blitzschnelle Übergänge zwischen den Formen durch den Mechanismus der Quantentunnelung zu vollziehen.
Die zentralen Erkenntnisse der Studie belegen eine außergewöhnliche Geschwindigkeit, mit der die Kohlenstoffatome tunneln. Sebastian Kozuch, der leitende Forscher, erklärte diese hohe Geschwindigkeit mit der geringen Breite der Energiebarriere. Er betonte, dass solch ein rasantes Tunneln ein seltenes Phänomen darstellt, das nur bei diesem und wenigen anderen Reaktionstypen beobachtet wird. Im Wesentlichen existiert das Molekül in einem Zustand der Superposition, da es gleichzeitig sowohl aromatisch als auch antiaromatisch ist – ein Zustand, der Parallelen zu dem berühmten Gedankenexperiment von Schrödingers Katze aufweist.
Aromatische Strukturen, wie beispielsweise Benzol, gelten gemeinhin als stabil, wohingegen antiaromatische Verbindungen, wie Pentalen, durch Instabilität gekennzeichnet sind. Innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft entbrannte eine Diskussion über die genaue Natur des zweiten Zustands: Mikel Sola äußerte die Vermutung, dass die Indizes eher auf einen nicht-aromatischen Zustand hindeuten könnten, anstatt auf einen wahrhaft antiaromatischen. Ungeachtet dieser terminologischen Differenzen stellte Kozuch abschließend fest, dass die Beobachtung des Wechsels der Aromatizität zwischen den Formen an sich ein fundamental wichtiges wissenschaftliches Ergebnis darstellt.
Das Verständnis quantenchemischer Effekte, einschließlich der Tunnelung – bei der ein Teilchen eine Barriere überwindet, ohne die dafür klassisch notwendige Energie zu besitzen – wird kontinuierlich erweitert. Diese Entdeckung ebnet den Weg zur Entwicklung fortschrittlicher Materialien mit maßgeschneiderten elektronischen Eigenschaften. Kozuch spekulierte zudem über die Möglichkeit, diesen Superpositionszustand experimentell in der Gasphase unter reduziertem Druck und niedriger Temperatur nachzubilden. Solche Experimente könnten völlig neue Horizonte für den technologischen Fortschritt eröffnen und die Anwendung quantenchemischer Phänomene in der Praxis vorantreiben.