Dynamika chiralności kwasu mrówkowego ujawniona przez kwantowe wibracje

Najnowsze ustalenia naukowe, opublikowane w styczniu 2026 roku na łamach czasopisma *Physical Review Letters*, redefiniują fundamentalne postrzeganie struktury cząsteczki kwasu mrówkowego (kwasu metanowego, HCOOH). Przez długi czas chemia podręcznikowa traktowała tę substancję jako idealnie płaski obiekt, w którym wszystkie atomy leżą w jednej płaszczyźnie. Nowe, precyzyjne pomiary wykazały jednak, że kwas mrówkowy jest dynamicznie trójwymiarowy, ponieważ nieustanne, minimalne drgania atomowe powodują, że cząsteczka niemal przez cały czas traci swoją symetrię. To odkrycie podważa ugruntowane założenie chemiczne, sugerując, że geometria molekularna w świecie kwantowym jest zjawiskiem dynamicznym, a nie statyczną cechą, przy czym płaski obraz jest jedynie uśrednionym wynikiem wibracji we wszystkich kierunkach.

Eksperymenty przeprowadzono w ośrodku akceleracyjnym DESY w Hamburgu, wykorzystując źródło promieniowania rentgenowskiego PETRA III. Zespół badawczy, któremu przewodniczył profesor doktor Reinhard Dörner z Instytutu Fizyki Jądrowej na Uniwersytecie Goethego we Frankfurcie, zastosował technikę polegającą na wywołaniu efektu fotoelektrycznego i efektu Augera za pomocą wiązki rentgenowskiej, co skutkowało eksplozją kulombowską cząsteczki. Kluczowym narzędziem był mikroskop reakcyjny COLTRIMS, wynaleziony i udoskonalany przez grupę Dörnera, który umożliwił jednoczesny pomiar sekwencyjnych procesów w koincydencji, co pozwoliło na obliczenie pierwotnej geometrii cząsteczki.

Centralnym punktem odkrycia jest obserwacja, że minimalne oscylacje obu atomów wodoru powodują, że cząsteczka niemal natychmiast przyjmuje formę chiralną, czyli nieposiadającą lustrzanego odbicia. Chiralość, kluczowa właściwość w biologii, jest zazwyczaj definiowana przez statyczną konstrukcję cząsteczki, co stanowi wyraźny kontrast dla dynamicznego powstawania tej asymetrii w kwasie mrówkowym. To drżenie atomów jest bezpośrednim przejawem zjawisk fizyki kwantowej, a mianowicie wibracji punktu zerowego, które zgodnie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga, dyktują, że cząstki nigdy nie pozostają w całkowitym bezruchu, nawet w temperaturze zera absolutnego.

W badaniach uczestniczyli naukowcy z Uniwersytetu Goethego we Frankfurcie, Uniwersytetów w Kassel, Marburgu i Nevadzie, a także z Instytutu Fritza Habera oraz Instytutu Fizyki Jądrowej Maxa Plancka. Profesor Dörner, współtwórca metody pomiarowej COLTRIMS, jest uznanym autorytetem w dziedzinie fizyki atomowej, laureatem między innymi Nagrody Roberta-Wicharda-Pohla w 2014 roku. Implikacje tego odkrycia wykraczają poza chemię organiczną, dotykając fundamentalnych pojęć w fizyce kwantowej, gdzie jądra atomowe są raczej „wibrującymi chmurami”, a nie statycznymi kulami.

Konkluzja badaczy jest jednoznaczna: geometria molekularna nie jest niezmienną własnością, lecz dynamicznym wydarzeniem, a płaska cząsteczka jest jedynie wynikiem uśrednienia kwantowych wahań we wszystkich kierunkach. Zjawisko, że sam ruch punktu zerowego może generować fundamentalną właściwość, jaką jest chiralność, sugeruje szersze konsekwencje dla rozumienia powstawania asymetrii w naturze, co jest kluczowe dla procesów biologicznych. Precyzyjne pomiary geometrii chwilowej, możliwe dzięki zaawansowanej korelacji danych z mikroskopu reakcyjnego COLTRIMS i wysokoenergetycznej wiązki rentgenowskiej z PETRA III, stanowią znaczący krok naprzód w eksperymentalnej fizyce molekularnej.