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.