Naukowcy zaskoczeni. Fluor przekroczył barierę kwantową w ekstremalnych warunkach

Choć mechanika kwantowa od dekad rzuca wyzwania naszej intuicji, naukowcy wciąż odkrywają zjawiska, które przesuwają granice poznania. Najnowsze badania pokazują, że nawet atomy uznawane dotąd za zbyt ciężkie, jak fluor, potrafią „przenikać” przez bariery energetyczne. To odkrycie może mieć poważne konsekwencje dla przyszłości chemii, medycyny i technologii materiałów.
Naukowcy zaskoczeni. Fluor przekroczył barierę kwantową w ekstremalnych warunkach

Tunelowanie kwantowe to jedno z najbardziej zaskakujących zjawisk fizyki. Pozwala ono cząstkom pokonywać bariery energetyczne, które według klasycznej fizyki są nieprzekraczalne. Zjawisko to dotychczas obserwowano przede wszystkim w odniesieniu do elektronów i bardzo lekkich pierwiastków, takich jak wodór czy tlen. Powszechnie przyjmowano, że pierwiastki cięższe, takie jak fluor, nie mają szans na takie „przejście” — bariera ich masy była zbyt duża. Teraz jednak wszystko się zmieniło.

W przełomowym eksperymencie międzynarodowy zespół naukowców zaobserwował, że fluor — niezwykle reaktywny i znacznie cięższy od typowych kandydatów do tunelowania — może wykazywać to zjawisko w ściśle określonych warunkach. Odkrycie to narusza tzw. „ścianę fluorową” i otwiera zupełnie nowy rozdział w chemii kwantowej.

Czytaj także: Czekali na ten efekt 15 lat. Fizykom udało się przeprowadzić niezwykły eksperyment

Można tutaj jednak zadać pytanie o to, jak to w ogóle jest możliwe? Naukowcy badali interakcje atomów fluoru z metalami przejściowymi w ekstremalnie niskich temperaturach. Powstałe w ten sposób związki zamrażano w matrycy gazu neonowego schłodzonej do –270°C, co pozwalało niemal całkowicie zatrzymać ich ruch i zbadać ich strukturę za pomocą precyzyjnej spektroskopii w podczerwieni.

W danych obserwacyjnych pojawił się osobliwy sygnał widmowy, który nie odpowiadał żadnemu znanemu związkowi fluorkowemu. Co więcej, zidentyfikowana cząsteczka — anion F₅⁻, złożony wyłącznie z pięciu atomów fluoru — nie zawierała w ogóle metalu. Choć układ ten wydaje się niestabilny (pięć silnie elektroujemnych atomów w jednym ujemnie naładowanym jonie), w ekstremalnych warunkach pozostał zaskakująco trwały.

Najciekawsze jednak było to, że analiza spektroskopowa wykazała, że F₅⁻ występuje w dwóch niemal identycznych formach, między którymi bezustannie się przełącza.

Symulacje kwantowe ujawniły, że centralny atom fluoru nie pozostaje nieruchomy — tuneluje między dwoma położeniami, bezustannie przekraczając barierę energetyczną, od której powinien był „odbić się” według klasycznej fizyki. Jest to pierwszy bezpośredni dowód tunelowania kwantowego atomu fluoru.

Zderzenie eksperymentu z symulacjami okazało się niezwykle precyzyjne — dane obserwacyjne pasowały niemal idealnie, potwierdzając, że nawet cięższe atomy, w odpowiednich warunkach, mogą wykazywać zachowania kwantowe zarezerwowane dotąd — mogłoby się wydawać — dla lżejszych cząstek.

Czytaj także: Fotoiniekcja bez tajemnic. W ten sposób powstanie elektronika 100 tysięcy razy szybsza od obecnej

Konsekwencje tego odkrycia są poważne. Jeśli fluor może tunelować, być może podobne właściwości można zaobserwować także u innych ciężkich pierwiastków. Może to znacząco zmienić nasze rozumienie reakcji chemicznych, w których fluor odgrywa ogromną rolę — od farmaceutyków, przez środki ochrony roślin, po technologie bateryjne.

Związki fluorowane są niezwykle istotne w projektowaniu nowoczesnych leków — poprawiają ich stabilność i biodostępność. Są też kluczowe w produkcji materiałów odpornych na wysokie temperatury i korozję. Lepsze zrozumienie mechanizmów ich działania — w tym możliwego tunelowania — może przełożyć się na skuteczniejsze leki i bardziej wytrzymałe materiały.

Wychodzi zatem na to, że to odkrycie nie tylko przesuwa granice wiedzy o tunelowaniu, ale również dostarcza naukowcom nowych narzędzi do manipulowania chemią na poziomie atomowym. A to może przynieść realne zmiany w medycynie, technologii i ochronie środowiska.