以色列化學家揭示分子開關機制:利用量子穿隧實現芳香性狀態的極速轉換

编辑者: Irena I

以色列的科學研究人員取得了一項重大成就,為分子系統動力學的研究開闢了嶄新的視野。來自本古里安大學(Ben-Gurion University)與以色列理工學院(Technion Technological Institute)的科學家們,共同發現了一種分子,它能夠在芳香性(aromatic)與反芳香性(antiaromatic)狀態之間進行極為迅速的切換。此一獨特的轉換過程,完全受到量子穿隧(quantum tunneling)原理的支配,並為材料科學的未來發展帶來巨大的潛力。

他們研究的目標是二萘並-[2,1-a: 1,2-f]戊搭烯(Dinaphtho-[2,1-a: 1,2-f]pentalene)分子。該分子的核心結構由戊搭烯(pentalene)組成,並連接到雙環結構上。透過精密的計算分析,研究人員揭示了其電子結構中存在的不對稱性:其中一個環表現出芳香族特性,而另一個環則展現出反芳香族特性。正是這種內在的結構矛盾,使得該系統能夠藉由量子穿隧效應,在兩種形式之間實現閃電般的快速轉變。

該研究的關鍵數據指出,碳原子穿隧的速度達到了驚人的程度。首席研究員塞巴斯蒂安·科祖赫(Sebastian Kozuch)解釋說,這種極快的速度歸因於分子結構中能量障礙的狹窄性。他強調,如此迅速的穿隧現象實屬罕見,僅在此類反應和極少數其他類型反應中觀察到。從本質上講,該分子處於一種疊加態(superposition),同時具備芳香性和反芳香性,這與著名的薛丁格的貓(Schrödinger's cat)思想實驗有異曲同工之妙。

傳統上,像苯(benzene)這類芳香族結構被視為高度穩定,而如戊搭烯這類反芳香族結構則以不穩定著稱。然而,科學界對於該分子第二種狀態的確切性質產生了爭論:米克爾·索拉(Mikel Sola)提出,相關指標可能指示的是非芳香性(non-aromatic)狀態,而非真正的反芳香性狀態。儘管存在術語上的分歧,科祖赫總結認為,無論如何,能夠觀察到分子在不同形式間進行芳香性轉換的現象本身,就是一項極其重要的科學發現。

對於化學領域中量子效應的理解,包括粒子在缺乏足夠經典能量的情況下穿過勢壘的穿隧現象,正持續不斷地擴展。這項新發現為未來開發具有可調控電子特性的先進材料鋪平了道路。科祖赫進一步推測,有可能在低壓和低溫條件下,於氣相中實驗性地重現這種疊加態。這無疑為技術進步開闢了全新的研究領域和可能性。

來源

  • Chemistry World

  • Nature

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