Izraelscy naukowcy odnotowali znaczące osiągnięcie w dziedzinie chemii kwantowej, które rzuca nowe światło na badanie dynamiki systemów molekularnych i ich zdolności do szybkiej transformacji. Badacze z renomowanego Uniwersytetu Ben-Guriona, ściśle współpracując ze specjalistami z Instytutu Technologicznego Technion, zidentyfikowali cząsteczkę o unikalnej zdolności do błyskawicznego przełączania się między stanem czysto aromatycznym a antyaromatycznym. Ten fundamentalny i niezwykły proces jest kontrolowany przez subtelne zasady mechaniki kwantowej, a konkretnie przez zjawisko tunelowania kwantowego. Odkrycie to, będące przełomem w zrozumieniu wiązań chemicznych, niesie ze sobą ogromny potencjał dla rozwoju nowoczesnej inżynierii materiałowej, zwłaszcza w kontekście tworzenia molekularnych urządzeń przełączających.
Przedmiotem szczegółowej analizy stała się złożona cząsteczka o formalnej nazwie dinafto-[2,1-a: 1,2-f]pentalen. Jej architektura molekularna opiera się na rdzeniu pentalenu, który jest połączony z podwójną, skondensowaną strukturą pierścieniową. Przeprowadzone zaawansowane symulacje komputerowe i obliczenia kwantowo-mechaniczne ujawniły wyraźną i zaskakującą asymetrię w jej wewnętrznej dystrybucji elektronowej. Okazało się, że jeden z pierścieni w tej hybrydowej strukturze wykazuje klasyczne właściwości aromatyczne, charakteryzujące się dużą stabilnością, podczas gdy drugi pierścień manifestuje cechy antyaromatyczne, które zazwyczaj wiążą się z niestabilnością. Właśnie ta wewnętrzna sprzeczność strukturalna i elektroniczna umożliwia systemowi wykonywanie natychmiastowych i odwracalnych przejść między dwiema formami geometrycznymi, co jest możliwe wyłącznie dzięki zjawisku tunelowania kwantowego, omijającego klasyczne bariery energetyczne.
Kluczowe dane badawcze potwierdzają niezwykłą, wręcz rekordową szybkość, z jaką zachodzi tunelowanie atomów węgla w tej cząsteczce. Główny badacz projektu, Sebastian Kozuch, szczegółowo wyjaśnił, że ta wyjątkowa dynamika wynika bezpośrednio z ekstremalnej wąskości bariery energetycznej, którą cząsteczka musi pokonać, aby zmienić swój stan. Podkreślił on, że tak gwałtowne tunelowanie jest zjawiskiem rzadkim w chemii organicznej, obserwowanym dotychczas jedynie w tym konkretnym przypadku oraz w bardzo ograniczonej liczbie innych typów reakcji chemicznych. W rezultacie, cząsteczka ta nie jest statyczna; zamiast tego, znajduje się ona w dynamicznym stanie superpozycji, będąc jednocześnie i aromatyczną, i antyaromatyczną. Ta fundamentalna nieokreśloność stanu molekularnego nasuwa bezpośrednie i intrygujące skojarzenia z klasycznym eksperymentem myślowym, jakim jest słynny kot Schrödingera.
W kontekście chemii, struktury aromatyczne, których sztandarowym przykładem jest benzen, są tradycyjnie postrzegane jako wyjątkowo stabilne i trudne do modyfikacji. Z kolei związki antyaromatyczne, do których zalicza się rdzeń pentalenu, charakteryzują się wysoką reaktywnością i niestabilnością. Odkrycie dynamicznego przełącznika wywołało w środowisku naukowym ożywioną dyskusję dotyczącą precyzyjnej klasyfikacji drugiego stanu. Profesor Miquel Solà, autorytet w dziedzinie chemii teoretycznej, zasugerował, że wskaźniki obliczeniowe mogą w rzeczywistości wskazywać na stan niearomatyczny, a nie na stan faktycznie antyaromatyczny w ścisłym tego słowa znaczeniu. Niemniej jednak, Kozuch stanowczo podsumował, że dla praktycznego znaczenia odkrycia, sam fakt zaobserwowania szybkiej i odwracalnej zmiany aromatyczności między dwiema formami stanowi przełomowy i niepodważalny wynik naukowy, niezależnie od niuansów terminologicznych używanych do opisu tych stanów.
Nasze fundamentalne zrozumienie efektów kwantowych w chemii, zwłaszcza mechanizmu tunelowania – procesu, w którym cząstka jest w stanie pokonać barierę energetyczną bez posiadania wystarczającej klasycznej energii kinetycznej – stale się poszerza i pogłębia. Opisywane odkrycie, stanowiące dowód na makroskopowe manifestacje zjawisk kwantowych, toruje drogę do projektowania i syntezy zaawansowanych materiałów o precyzyjnie dostrajanych i dynamicznie zmiennych właściwościach elektronicznych. Sebastian Kozuch wyraził również optymistyczne przypuszczenie dotyczące przyszłych badań: uważa, że możliwe będzie eksperymentalne odtworzenie tego fascynującego stanu superpozycji w warunkach laboratoryjnych, konkretnie w fazie gazowej, przy jednoczesnym obniżeniu ciśnienia i temperatury. Taka możliwość badawcza otwiera zupełnie nowe horyzonty dla postępu technologicznego, zwłaszcza w dziedzinie spintroniki i chemii kwantowej, umożliwiając manipulację stanami molekularnymi na niespotykaną dotąd skalę.