Un equipo de científicos, incluidos Tim Strobel de Carnegie y Venkata Bhadram, ahora informan un comportamiento cuántico inesperado de las moléculas de hidrógeno, H 2 , atrapado dentro de pequeñas jaulas hechas de moléculas orgánicas, lo que demuestra que la estructura de la jaula influye en el comportamiento de la molécula aprisionada en su interior.
Una comprensión detallada de la física de los átomos individuales que interactúan entre sí a nivel microscópico puede conducir al descubrimiento de nuevos fenómenos emergentes, ayudar a guiar la síntesis de nuevos materiales e incluso ayudar al futuro desarrollo de fármacos.
Pero a escala atómica, las reglas de física clásicas, llamadas newtonianas, que aprendiste en la escuela no se aplican. En el campo de las reglas ultrapequeñas, diferentes, gobernadas por la mecánica cuántica, son necesarias para comprender las interaccionesentre átomos donde la energía es discreta o no continua, y donde la posición es inherentemente incierta.
El equipo de investigación, incluidos Anibal Ramírez-Cuesta, Luke Daemen y Yongqiang Cheng del Laboratorio Nacional de Oak Ridge, así como Timothy Jenkins y Craig Brown del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, utilizaron herramientas espectroscópicas, incluido el estado-espectrómetro de neutrones inelásticos de última generación llamado VISION en la fuente de neutrones de espalación, para examinar la dinámica a nivel atómico de un tipo especial de estructura molecular llamada clatrato.
Los clatratos consisten en una estructura reticular que forma jaulas, atrapando otros tipos de moléculas en el interior, como una prisión de escala molecular. El clatrato que estudió el equipo, llamado? -Hidroquinona, consistió en jaulas hechas de moléculas orgánicas que atrapan H 2 . Solo una H 2 la molécula está presente dentro de cada jaula, por lo que el comportamiento cuántico de las moléculas aisladas podría examinarse en detalle.
"Los ejemplos prácticos de partículas aisladas de influencia cuántica que están atrapadas dentro de espacios bien definidos brindan la oportunidad de explorar dinámicas en condiciones que se aproximan a la perfección de simulación", explicó Strobel.
El equipo de investigación pudo observar cómo la molécula de hidrógeno se sacudía y giraba dentro de la jaula. Sorprendentemente, el movimiento de rotación observado fue diferente al de H 2 atrapado en sistemas relacionados en los que las moléculas pueden rotar casi libremente en todas las direcciones.
"El comportamiento que observamos aquí es similar al comportamiento de H 2 moléculas que se adhieren a una superficie de metal ", explicó Strobel." Es la primera vez que se observa este comportamiento, conocido por los físicos como un rotor impedido bidimensional, para el hidrógeno atrapado dentro de un clatrato molecular ".
Resulta que la estructura local de la jaula de clatrato influye mucho en la dinámica de H 2 , provocando una preferencia por la rotación en dos dimensiones a pesar del hecho de que no hay enlaces químicos involucrados. Además de las ideas fundamentales, este descubrimiento podría tener implicaciones importantes para el diseño de materiales de almacenamiento de hidrógeno que pueden atrapar H 2 para aplicaciones de energía y transporte.
Este trabajo fue apoyado como parte del Centro de Investigación de Fronteras de Energía en Entornos Extremos EFree, un Centro de Investigación de Fronteras de Energía financiado por la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos bajo el Premio No. DE-SC0001057. Esta investigación se benefició del usode la línea de luz VISION IPTS-16698 en la fuente de neutrones de espalación de ONRL, que cuenta con el apoyo de la División de Instalaciones Científicas de Usuario, Oficina de Ciencias Energéticas Básicas, Departamento de Energía de los EE. UU.
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Materiales proporcionado por Institución Carnegie para la Ciencia . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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