Gli scienziati hanno rallentato una reazione chimica 100 miliardi di volte utilizzando un computer quantistico

Gli scienziati hanno rallentato una reazione chimica 100 miliardi di volte utilizzando un computer quantistico

I ricercatori dell’Università di Sydney hanno utilizzato la potenza della meccanica quantistica per osservare una danza molecolare fondamentale durante reazioni come la fotosintesi. Utilizzando un computer quantistico, sono riusciti a rallentare queste interazioni di 100 miliardi di volte. Questa osservazione diretta era precedentemente impossibile a causa della velocità del fenomeno.

La meccanica quantistica, che rimane misteriosa fino ad oggi, è un terreno di gioco per molti scienziati che cercano di decifrare le interazioni a livello atomico. Nell’ambito di questo sforzo, un team dell’Università di Sydney ha raggiunto un risultato notevole. Per la prima volta i ricercatori sono riusciti a osservare direttamente la “danza molecolare” necessaria per le reazioni chimiche di base come la fotosintesi.

Utilizzando un computer quantistico, sono riusciti a rallentare una reazione chimica 100 miliardi di volte per studiarla in dettaglio, quasi al “rallentone”. Questa scoperta potrebbe avere implicazioni per la nostra comprensione di fenomeni diversi come la fotosintesi e la degradazione dello strato di ozono. Lo studio è pubblicato sulla rivista Chimica naturale.

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Intersezione conica: un fenomeno fondamentale

Lo studio si è concentrato su un’interazione molecolare chiamata “giunzione conica”. È un concetto fondamentale nello studio delle interazioni molecolari. Per capirlo dobbiamo prima tornare alla geometria delle molecole. Ogni molecola ha una certa configurazione spaziale e quando parliamo di giunzioni coniche ci riferiamo a punti specifici in cui l’energia di due superfici molecolari è esattamente la stessa. Quando due superfici si intersecano, il punto di incrocio forma questa intersezione conica.

Ma perché è così importante? Queste intersezioni svolgono un ruolo cruciale nel fungere da “imbuti” a livello quantistico. Nel mondo subatomico gli elettroni possono spostarsi da uno stato energetico all’altro. Queste trasformazioni sono necessarie per molte reazioni chimiche. La giunzione conica facilita queste transizioni agendo come un interruttore a caldo tra diversi stati elettronici.

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Queste giunzioni sono presenti in molte reazioni, inclusa la fotosintesi. Pertanto, studiando queste giunzioni, i ricercatori possono ottenere preziose informazioni su come avvengono le reazioni chimiche a livello molecolare.

Computer quantistico, uno strumento importante

L’osservazione diretta di fenomeni rapidi e precisi come l’attraversamento dei coni nelle reazioni chimiche rappresenta una sfida importante per gli scienziati. Reazioni su questa scala si verificano molto rapidamente, spesso in femtosecondi. Un femtosecondo è un quadrilionesimo di secondo, ovvero 0,0000000000000001 secondo. Quindi è un lasso di tempo incredibilmente breve.

È qui che entra in gioco un computer quantistico a ioni confinati. A differenza dei computer classici, i computer quantistici sfruttano i principi della meccanica quantistica per elaborare le informazioni. Nel caso di un computer a ioni intrappolati, le particelle quantistiche o gli ioni vengono mantenuti in posizione in un campo elettrico e manipolati utilizzando un laser. Questa tecnologia permette la simulazione e l’osservazione dei fenomeni quantistici in tempo reale.

Compatibilità tra la teoria attuale e le simulazioni di trappole ioniche. © Valaho et al., 2023

Vanessa Olaya Agudelo, ricercatrice capo e dottoranda, evidenzia la velocità del processo naturale e conferma in un…
Ho riferito L’ingegnosità della loro realizzazione. Utilizzando questo computer quantistico, il team di ricercatori è riuscito a rallentare significativamente la reazione. Lei spiega: “ Utilizzando il nostro computer quantistico, abbiamo costruito un sistema che ci ha permesso di rallentare la dinamica chimica da femtosecondi a millisecondi. Ciò ci ha permesso di fare importanti osservazioni e misurazioni “.

Il dottor Christoph Valahue, della Scuola di Fisica dell’Università di Sydney e co-autore principale, aggiunge: “ La nostra esperienza non è stata un’approssimazione numerica del processo. Questa è stata un’osservazione analogica diretta della dinamica quantistica che si verifica a una velocità che possiamo osservare “.

simulazione

Istantanee da simulazioni atomiche. ©Università di Sydney

Principali implicazioni della scienza

Le dinamiche ultraveloci a livello molecolare, sebbene complesse, sono fondamentali per comprendere molti processi chimici. Queste dinamiche, che spesso si svolgono in un batter d’occhio, sono fondamentali per molte reazioni con impatti diretti sulla nostra vita quotidiana e sull’ambiente.

La capacità di monitorare e comprendere queste dinamiche apre le porte a molte applicazioni. Nella scienza dei materiali, una migliore comprensione delle interazioni molecolari può portare alla creazione di nuovi materiali con proprietà migliorate o specifiche. In campo medico, ciò potrebbe migliorare il modo in cui vengono progettati i farmaci, consentendo ai ricercatori di individuare con maggiore precisione le interazioni molecolari desiderate, aumentando così l’efficacia e riducendo gli effetti collaterali.

Aliya Agudelo ha parlato anche dell’energia solare. Comprendendo meglio come le molecole interagiscono con la luce, potrebbe essere possibile aumentare l’efficienza delle celle solari, rendendo l’energia solare più conveniente e accessibile.

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Al di là di queste applicazioni dirette, la comprensione di queste dinamiche ha anche implicazioni ecologiche. Lo smog, ad esempio, è il risultato di complesse reazioni chimiche nell’atmosfera. Comprendendo meglio queste interazioni, possiamo sviluppare strategie più efficaci per ridurre l’inquinamento atmosferico. Allo stesso modo, una migliore conoscenza delle interazioni molecolari potrebbe aiutarci a comprendere e forse a mitigare i danni allo strato di ozono e a proteggere la vita sulla Terra dai dannosi raggi ultravioletti del sole.

fonte : Chimica naturale

video : Una presentazione dettagliata dello studio. ©Sebastiano Zentilomo

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