A química exige esforço. Seja aumentando a temperatura, aumentando as chances de átomos compatíveis colidirem em uma colisão aquecida, ou aumentando a pressão e espremendo-os, a construção de moléculas geralmente exige um certo custo em energia.
A teoria quântica fornece uma solução alternativa se você for paciente. E uma equipe de pesquisadores da Universidade de Innsbruck, na Áustria, finalmente viu o tunelamento quântico em ação em um experimento mundial medindo a fusão de íons de deutério com moléculas de hidrogênio.
O tunelamento é uma peculiaridade do universo quântico que faz parecer que as partículas podem passar por obstáculos que normalmente são muito difíceis de superar.
Na química, esse obstáculo é a energia necessária para os átomos se ligarem uns aos outros ou a moléculas existentes.
No entanto, a teoria diz que, em casos extremamente raros, é possível que os átomos próximos façam um ‘túnel’ através dessa barreira de energia e se conectem sem nenhum esforço.
“A mecânica quântica permite que as partículas rompam a barreira energética devido às suas propriedades de onda mecânica quântica, e ocorre uma reação”, diz o primeiro autor Robert Wild, físico experimental da Universidade de Innsbruck.
As ondas quânticas são os fantasmas que dirigem os comportamentos de objetos como elétrons, fótons e até mesmo grupos inteiros de átomos, obscurecendo sua existência antes de qualquer observação, de modo que eles não se sentam em um lugar preciso, mas ocupam um continuum de posições possíveis.
Esse desfoque é insignificante para objetos maiores, como moléculas, gatos e galáxias. Mas, à medida que ampliamos as partículas subatômicas individuais, a gama de possibilidades se expande, forçando a sobreposição dos estados de localização de várias ondas quânticas.
Quando isso acontece, as partículas têm uma pequena chance de aparecer onde não deveriam estar, abrindo túneis em regiões que, de outra forma, exigiriam muita força para entrar.
Uma dessas regiões para um elétron pode estar dentro da zona de ligação de uma reação química, unindo átomos e moléculas vizinhos sem o boom-crash-crush de calor ou pressão.
Compreender o papel que o tunelamento quântico desempenha na construção e rearranjos de moléculas pode ter ramificações importantes nos cálculos de liberação de energia em reações nucleares, como as que envolvem hidrogênio em estrelas e reatores de fusão aqui na Terra.
Embora tenhamos modelado esse fenômeno para exemplos envolvendo reações entre uma forma de deutério carregada negativamente – um isótopo de hidrogênio contendo um nêutron – e di-hidrogênio ou H2, provar os números experimentalmente requer um nível desafiador de precisão.
Para conseguir isso, Wild e seus colegas resfriaram os íons negativos de deutério a uma temperatura que os deixou quase parados antes de introduzir um gás feito de moléculas de hidrogênio.
Sem calor, era muito menos provável que o íon deutério tivesse a energia necessária para forçar as moléculas de hidrogênio a um rearranjo de átomos. No entanto, também forçou as partículas a ficarem silenciosamente próximas umas das outras, dando-lhes mais tempo para se unirem através do túnel.
“Em nosso experimento, damos às possíveis reações na armadilha cerca de 15 minutos e depois determinamos a quantidade de íons de hidrogênio formados. A partir de seu número, podemos deduzir com que frequência uma reação ocorreu”, explica Wild.
Esse número é pouco mais de 5 x 10-20 reações por segundo ocorrendo em cada centímetro cúbico, ou cerca de um evento de tunelamento para cerca de cem bilhões de colisões. Então não muito. Embora o experimento faça backup da modelagem anterior, confirmando uma referência que pode ser usada em previsões em outros lugares.
Dado que o tunelamento desempenha um papel bastante importante em uma gama diversificada de reações nucleares e químicas, muitas das quais provavelmente também ocorrem nas profundezas frias do espaço, obter um controle preciso dos fatores em jogo nos dá uma base mais sólida para basear nossas previsões sobre.
Publicado em 05/03/2023 19h24
Artigo original:
Estudo original: