Niet alleen elektronen maar ook protonen blijken te kunnen ’tunnelen’ (afb: Poolse akademie van wetenschappen)

Kwantumver-schijnselen zijn, vrijwel, alleen maar waar te nemen in extreme omstandigheden met exquise apparatuur. Poolse onderzoekers hebben nu laten zien dat het kwantumfenomeen tunnelen niet uitzonderlijk is in scheikundige reacties bij kamertemperatuur en hoger en daar soms zelfs een doorslaggevende rol kan spelen. Het tunnelen van waterstofionen bleek in de bestudeerde reactie verantwoordelijk voor de chemische reactie.

Tunnelen zou je het ‘doorboren’ van de potentiaalbarrière kunnen noemen, dat wil zeggen dat een deeltje toch blijkt te reageren ook als dat daar niet genoeg energie voor heeft. “Al enige tijd zijn scheikundigen gewend aan het idee dat elektronen in moleculen kunnen tunnelen. Wij hebben nu aangetoond dat ook protonen (waterstofkernen), kunnen tunnelen. We hebben nu bewezen dat een belangrijke chemische basisreactie het resultaat is van het tunneleffect. Dat gebeurt in een oplossing bij kamertemperatuur en hoger”, zegt onderzoeker Jacek Waluk
In hun experimenten bestudeerden de onderzoekers enkele moleculen van porfyceen, een isomeer van porfyrine (brutoformule: C₂₀H₁₄N₄). Dergelijke stoffen komen in de natuur voor, zoals heem in het menselijke bloed (als ijzercomplex), dat  een rol speelt bij het zuurstoftransport. Het molecuul bestaat uit vier vijfringen van vier koolstofatomen en een stikstofatoom. Rond de vier stikstofatomen ‘cirkelen’ twee waterstofkernen, die bewegen tussen de vier stikstofatomen. De vraag was: hoe doen ze dat? Gebeurt dat op de klassieke manier of door tunnelen.
Tunnelen is een gevolg van het waarschijnlijkheidskarakter van kwantumobjecten. In de klassieke wereld, de macrowereld, kan een object slechts op een plaats zijn, maar niet in de kwantumwereld. Als niets de toestand van een elementair deeltje, een atoom of een groepje atomen, verstoort dan verdwijnt de waarschijnlijkheid van een kwantumobject in de ruimte (schrijft het persbericht, voor mij, wat al te kryptisch). Dat leidt tot spectaculaire effecten. Als iemand over een muur wil klimmen dan moet hij daar energie in steken. Door de onbepaaldheid van de plaats van een kwantumobject kan een kwantumobject zowel aan de ene als de andere kant van de muur zijn. Dat object hoeft de muur niet te beklimmen, maar, lijkt het, gaat er ‘dwars doorheen’. Dat gebeurt veel sneller dan in een normale overdracht in de ruimte en met een waarschijnlijkheid die groter is naarmate de afstand tot de barrière/muur kleiner is. Door de tijden te bestuderen die de protonen nodig hebben voor voor de ‘sprong’ van de protonen, kunnen de onderzoekers bepalen of de protonen de klassieke route hebben genomen of de ’tunnel’.
“De werkelijkheid is minder eenduidig. Hoe hoger ons proton klimt, hoe kleiner de breedte van de barrière die hij moet overwinnen (ervan uitgaand dat de barrière naar boven toe, als een berg, steeds smaller wordt; as). Dan wordt tunnelen steeds waarschijnlijker. Alles duidt er op dat voordat het proton klimt naar een energieniveau om klassiek over de potentiaalberg heen te gaan, het er meestal al doorheen is getunneld”, stelt Waluk.

Sturing

De ontdekking wekt de hoop dat het in de toekomst mogelijk zal zijn reacties te sturen. Moleculen in oplossing, die reactief zijn, zouden in trilling gebracht kunnen worden waardoor hun reactiviteit vergroot of verkleind wordt. Dan zou een bepaalde reactie van de vele die in oplossing plaatsvinden, naar believen gestopt of aangezet kunnen worden door bepaalde moleculen wat meer of minder energie te geven. Waluk: “Het tunnelen van protonen in porfyceen in oplossing is een spectaculair bewijs dat je bij kamertemperatuur in een dicht medium met een puur kwantumeffect de reactie kan sturen. We hebben nog meer verrassingen in petto. We hebben een redelijk vermoeden dat er nog een exotisch kwantumverschijnsel is betrokken bij de beweging van de twee protonen in porfyceen, die altijd tegelijk springen. Dat zullen we met verder onderzoek moeten aantonen.”

Bron: EurekAlert