Kvanttilomittuminen ja kemia?

Ludwig-Maximilians-Universität Münchenin (LMU) fyysikot kehittävät uutta viitekehystä kemiallisen sidoksen ymmärtämiseksi kvanttilomittumisen avulla.

Kemiallinen sidos on yksi mikroskooppisen maailman keskeisistä organisointiperiaatteista. Se määrittää, miten atomit yhdistyvät, ja siten se hallitsee kvanttijärjestelmien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien laajaa kirjoa useilla pituusasteikoilla, pienistä molekyyleistä ja biomolekyyleistä makroskooppisesti suuriin kiinteisiin aineisiin.

Silti, huolimatta sen perustavanlaatuisesta merkityksestä ja näkyvästä roolista jo lukion luonnontieteiden opetuksessa, kemialliset sidokset ovat yllättävän vaikeasti havaittavissa kvanttimekaniikan näkökulmasta. Ne ovat välttämättömiä aineen kuvaamiseksi, vaikka ne eivät olekaan suoraan havaittavia suureita.

Nature Communications -lehdessä äskettäin julkaistussa artikkelissa LMU:n fyysikon tohtori Christian Schillingin ja MCQST:n huippuosaamisryhmän johtama ryhmä käsittelee tätä pitkäaikaista haastetta kvantti-informaatioteorian käsitteiden avulla.

Kvanttikemian orbitaalilomittumisen asiantuntemuksensa pohjalta Christian Schilling ja hänen tohtoriopiskelijansa Lexin Ding kehittivät yhdessä yhteistyökumppaninsa Eduard Matiton kanssa Donostia International Physics Centeristä Espanjasta uuden viitekehyksen kemiallisen sidoksen ymmärtämiseksi kvanttilomittumisen kautta.

Tutkijat esittelivät käsitteen maksimaalisesti lomittuneet atomiorbitaalit (MEAO), joiden lomittumiskuviot paljastavat molekyylien sidosrakenteet luonnollisella ja systemaattisella tavalla.

On huomionarvoista, että viitekehys kuvaa paitsi tavanomaisia Lewis-rakenteiden kuvaamia kaksikeskussidoksia, myös monimutkaisempia sidosilmiöitä, kuten monikeskussidoksia, aromaattisia järjestelmiä, kuten bentseeniä, ja kemiallisten reaktioiden aikana syntyviä ohimeneviä sidoskuvioita. Tällaisia monimuotoisia sidosskenaarioita voidaan nyt kuvata yhden yhtenäisen ja täysin ab initio -viitekehyksen sisällä.

Työ paljastaa syvän yhteyden kemiallisen sidoksen ja kvanttilomittumisen välillä ja luo yhtenäisen ja kvantitatiivisen kielen sidosilmiöiden kuvaamiseen.

”Tulevaisuudessa viitekehyksestä voisi tulla tehokas työkalu monimutkaisten molekyylijärjestelmien, kemiallisten reaktioiden ja epätavanomaisten sidosmekanismien tutkimiseen, joissa perinteiset lähestymistavat usein epäonnistuvat”, Schilling sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Uudelleen konfiguroitavia neuromorfisia molekyylipiirejä

Kvanttimikroprosessori simuloi kvanttikemiaa