Вчені виявили хімічні реакції в хмарах холодного міжзоряного газу, що протікають за рахунок ефекту квантового тунелювання
Збройні самими сучасними інструментами, вчені-астрономи останнім часом все частіше і частіше виявляють прості і складні органічні хімічні сполуки в дисках матерії, навколишнього деякі зірки. Навіть в нашій Сонячній системі на метеоритах були знайдені сліди складної органіки, які могли вийти тільки в результаті не найпростіших хімічних перетворень і які можуть стати основою зароджується де-небудь життя. До останнього часу вчені не дуже добре розуміли механізми, за рахунок яких можливі хімічні реакції, що відбуваються в умовах енергетичного дефіциту у відкритому космосі, але останні дослідження, виконані вченими з університету Лідса, пролили світло на цю загадку.
Згідно з матеріалами досліджень, опублікованих у журналі Nature Chemistry, хімічні процеси, що відбуваються всередині хмар холодного космічного газу, набагато більш складні, ніж можна собі уявити. Хімічні реакції, які не можуть відбуватися в нормальних умовах із-за недостатньої кількості енергії, що відбуваються в холодному газі за рахунок ефекту квантового тунелювання. Це відбувається тому, що один з хімічних реагентів, ядро атома водню в даному випадку, може здійснити квантовий стрибок за рахунок ефекту тунелювання і бути захоплений атомом або молекулою іншої речовини, утворюючи при цьому міцні хімічні зв'язки.
Ключовим моментом ініціації деяких хімічних реакцій є поняття енергії активації. Багато хімічні реакції не можуть відбуватися спонтанно, для початку потрібно якийсь зовнішній енергетичний поштовх, переводить атоми хімічних елементів в енергетичний стан, більш високе, ніж так званих енергетичний поріг активації реакції. Досить наочним прикладом цього є вогонь, який не загориться до тих пір, поки до пального матеріалу не піднесеш запалений сірник або інше джерело відкритого вогню.
Все вищесказане, як можна легко здогадатися, є проблемою в умовах холодних хмар космічного газу. В таких областях космосу знаходиться вкрай мало вільної енергії, яка може змусити атоми речовини перестрибнути через бар'єр активації хімічної реакції. Відповідно до розрахунків, проведених вченими, з енергетичної точки зору переважна більшість видів хімічних реакцій просто не можуть відбуватися у відкритому космосі. Ці розрахунки увійшли в повне протиріччя з результатами спостережень, які показали, що рівень деяких хімічних реакцій в контрольованій області космосу підвищився по мірі пониження там температури.
Вчені дослідили реакцію між метанолом, який в достатніх кількостях зустрічається в газових хмарах, і радикалом гідроксилу (hydroxyl radical). Останній є молекулою води, позбавленої одного атома водню, що залишає вільним один електрон кисню. Коли ці дві молекули реагують один з одним, атом водню відокремлюється від метанолу, перетворюючи радикал гідроксилу у воду й залишаючи радикал метоксила (methoxy radical). У нормальних умовах така реакція відбувається з утворенням проміжної речовини, що складається з двох атомів кисню, пов'язаних з одним атомом вуглецю, що входить до складу молекули метанолу. І в нормальних умовах ця реакція вимагає не такою вже й маленькою енергії активації.
Але, як тільки температура навколишнього середовища знижується нижче певної межі, природа більшості природних процесів докорінно змінюється. При температурі нижче 70 градусів за шкалою Кельвіна, дві молекули, молекули метанолу і радикала гідроксилу не утворюють проміжне з'єднання, а з'єднуються за рахунок виникаючої водневої зв'язку. При низьких температурах цей зв'язок буде достатньо стійкою, тримаючи обидві молекули в безпосередній близькості протягом тривалого часу. Близькість розташування молекул означає, що деякі елементи можуть переміститися з однієї молекули до іншої за рахунок ефекту квантового тунелювання, що і відбувається насправді. Ядро атома водню "туннелируется" з молекули метанолу в молекулу радикала гідроксилу, а в результаті виходить вода і радикал метоксила.
У складі молекули метанолу є кілька атомів водню і під час перебігу звичайної хімічної реакції в ній беруть участь тільки строго певні атоми водню. Дослідники виявили, що під час реакції, що протікає при наднизькій температурі за рахунок ефекту квантового тунелювання, можуть бути задіяні абсолютно будь-які атоми водню, що вказує на зовсім іншу природу процесів хімічної реакції.
Факт виявлення хімічних реакцій в умовах, в яких вони принципово не повинні відбуватися, має величезну наукову цінність. Знання про інших механізмах перебігу хімічних реакцій дозволить вченим отримати більш чітке уявлення про те, що відбувається в холодних космічних глибинах. Вивчивши більш детально це явище, вчені зможуть обчислити які реакції можуть відбуватися в газових хмарах з певним складом, що дозволить визначити хімічні речовини, які будуть присутні у складі планет, народжених в цих хмарах.
Цілком імовірно, що новий вид "квантової хімії в майбутньому знайде практичне застосування. Завдяки квантовим хімічним реакціям можна буде здійснити синтез сполук, які неможливо отримати традиційним шляхом. Крім цього, нові типи хімічних реакцій можуть дозволити здешевити синтез певних сполук, який при звичайному підході вимагає вкрай високих енергетичних витрат, роблячи кінцеву продукцію неймовірно дорогою.