Musim panas ada di sini dan ada kebakaran di mana-mana di China. Saat ini, jika bisa minum sebotol minuman es pasti akan meredakan panasnya mood untuk sementara.
apa kamu tahu Di mata fisikawan, sebenarnya es tersebut kurang dingin, bisa dikatakan terlalu panas.
Air pada suhu kamar berbentuk cair karena molekul air memiliki banyak energi dan akan berputar-putar.
Di lemari es, ketika suhu mencapai di bawah nol, energi molekul air sedikit berkurang. Di bawah kendali gaya antarmolekul, tidak ada yang bisa berlarian. Akibatnya, air menjadi es.
Di permukaan, molekul air di es tenang. Padahal, mereka tetap memiliki energi yang tinggi. Meski tidak bisa berlarian, mereka punya berbagai cara untuk menghibur diri.
Jika Anda ingin menjaga molekul sesedikit mungkin, Anda harus terus menurunkan suhu untuk menghilangkan energi molekul. Jika suhu dapat diturunkan menjadi -273,15 ° C, secara teoritis semua atom dan molekul akan menghentikan gerak termal. Ini adalah suhu terendah yang dapat dicapai suatu zat, sehingga disebut nol mutlak. Karena di mata fisikawan, nol mutlak adalah nol benar.
Setelah mencapai nol mutlak, atom tidak bisa bergerak, bukankah sangat cocok untuk penelitian ilmiah? Berdasarkan ide ini, dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah membebaskan subjek interdisipliner: kimia kuantum ultra-dingin.
Pada Juli 2017, Profesor Pan Jianwei dari Universitas Sains dan Teknologi China dan rekan-rekannya Zhao Bo, Chen Yuao, dll. Menerbitkan makalah eksperimental di jurnal Nature Physics. Mereka berbicara tentang mengamati "cinta" antara atom di sekitar nol absolut ( Perilaku menggabungkan molekul) dan molekul "pecah" (bereaksi menjadi molekul lain).
Mereka menggunakan pendinginan laser dan pendinginan evaporatif untuk mengurangi suhu 300.000 atom natrium dan 160.000 atom kalium menjadi 0,0000005 derajat di atas nol absolut (500nK), dan kemudian mereka dipenjarakan di dalam "lubang" yang dibuat oleh laser.
Meskipun atom natrium dan kalium adalah logam alkali, ketika bertemu, di bawah aksi gaya van der Waals antar atom, mereka juga akan memusnahkan percikan kecil, membentuk semacam molekul yang terikat lemah.
Pada suhu normal (seperti nol derajat Celcius), energi uap atom natrium sangat tinggi, dan kecepatan pergerakannya bisa melebihi 400 meter per detik, yang lebih cepat dari kecepatan pesawat sipil. Sekalipun dapat memicu dengan atom kalium, ia tidak dapat mempertahankannya.
Jika suhu diturunkan menjadi 0,0000005 derajat Celcius (500nK) di atas nol mutlak, energi atom natrium akan sangat berkurang, dan kecepatan gerakan akan berkurang menjadi 0,02 m / s, yang sama lambatnya dengan merangkak keong.
Namun, fisikawan menurunkan suhu atom dan molekul begitu rendah, tidak membiarkan mereka menikmati kesejukan di pertengahan musim panas. Sebaliknya, Anda harus campur tangan melalui pihak ketiga, membongkar mereka dengan kejam, dan mengamati setiap langkah reaksi kimia.
Reaksi kimia yang melibatkan pihak ketiga ini dapat secara sederhana ditulis sebagai AB + C > AC + B. Di mana A adalah atom natrium, B adalah atom kalium dengan spin -5/2, dan C adalah atom kalium dengan spin -3/2. Dengan kata lain, atom kalium menggantikan atom kalium asli di molekul yang terikat lemah.
Respon dari intervensi pihak ketiga ini terkesan sederhana, namun memiliki keuntungan yang sangat besar.
Dalam eksperimen kimia kuantum ultra-dingin sebelumnya, para ilmuwan tidak dapat secara langsung melihat produk reaksi. Karena banyak reaksi kimia melepaskan energi dalam jumlah besar. Awalnya, atom dan molekul pada suhu sangat rendah terkurung di dalam lubang, tetapi begitu mereka memiliki cukup energi, mereka akan terbang jauh dan lepas kendali para ilmuwan.
Dalam percobaan di Universitas Sains dan Teknologi China ini, para ilmuwan juga memasang medan magnet di sekitar lubang tersebut. Energi yang dilepaskan ketika molekul natrium kalium bereaksi dengan atom kalium berkaitan dengan ukuran medan magnet, yang dapat disesuaikan dengan medan magnet. Ilmuwan mengatur medan magnet menjadi sekitar 130 Gauss (setara dengan lebih dari 200 kali medan magnet bumi), sehingga reaksi mereka melepaskan energi sesedikit mungkin, untuk memastikan bahwa produk reaksi tidak dapat lepas dan menunggu pengukuran.
Melalui eksperimen ini, para ilmuwan secara akurat mengamati bagaimana lebih dari 10.000 pasang molekul natrium dan kalium yang terikat lemah dibongkar oleh pihak ketiga selangkah demi selangkah dan digabungkan kembali menjadi objek baru dalam 2 milidetik.
Mereka tidak hanya mengamati produk reaksi lengkap dari saluran reaksi mikroskopis untuk pertama kalinya, dan mengukur proses kinetik pembuatan produk, dan untuk pertama kalinya mereka dapat mengkalibrasi perilaku reaksi kimia ultra-dingin berdasarkan evolusi produk.
Harus dipahami bahwa setiap reaksi kimia pada suhu kamar mengandung sejumlah besar saluran mikroskopis yang berbeda. Kimiawan hanya dapat membuat rata-rata umum, dan tidak dapat menjelajahi setiap detail dalam eksperimen, apalagi membuat perhitungan yang tepat dari teori dasar fisika kuantum.
Hampir nol mutlak, atom dibekukan menjadi satu keadaan kuantum. Mereka tidak memiliki banyak rutinitas untuk diikuti. Mereka hanya dapat bertabrakan dalam bentuk yang paling sederhana dan berubah dari satu keadaan ke keadaan lain dengan cara yang ditentukan oleh fisikawan. Oleh karena itu, fisikawan sangat memahami observasi dan analisis dari keseluruhan proses. Ini adalah pertama kalinya reaksi kimia antar-keadaan diamati dalam reaksi kimia yang sangat dingin.
Ide desain asli dari laboratorium molekuler ultra-dingin Universitas Sains dan Teknologi China berasal dari prediksi teoritis yang dikemukakan oleh ahli kimia W. Stwalley pada tahun 1970-an sekitar setengah abad yang lalu. Para ilmuwan di Universitas Sains dan Teknologi China memulai dari awal dan menghabiskan tiga setengah tahun. Setelah merancang dan membangun platform eksperimen secara pribadi, mereka mencapai hasil eksperimen saat ini hanya dalam setengah tahun.
Keberhasilan eksperimen ini mendorong penelitian eksperimental kinetika reaksi kimia ke level kuantum. Pengulas majalah "Nature · Physics" berkata: "Karya ini merupakan tonggak penting dalam bidang kimia ultra dingin, dan akan memiliki berbagai minat untuk peneliti kimia dan fisika."
Catatan Editor
Mengapa para ilmuwan tertarik pada subjek baru kimia kuantum ultra-dingin?
Sebagai contoh, suhu terendah yang secara alamiah ada di alam semesta hanya sekitar 3 derajat Celcius lebih tinggi dari nol absolut Lalu bagaimana reaksi kimia berlangsung bila suhu lebih rendah dari ini? Ilmuwan juga tidak jelas tentang masalah ini. Karena sebenarnya sangat sulit untuk mendinginkan gas molekuler hingga suhu serendah itu.
Fisikawan teoretis pernah mengutip contoh seperti ini: Ada sejenis fenomena kuantum lemah di antara molekul yang disebut resonansi Feshbach. Teori fisika kuantum pernah meramalkan bahwa mungkin terdapat ratusan resonansi semacam itu. Tetapi pada suhu kamar atau suhu normal rendah, karena suhunya tidak cukup rendah, saluran tumbukan molekul akan dirata-ratakan sehingga hampir tidak ada fenomena kuantum ini yang dapat diamati dalam percobaan.
Namun, ketika suhu gas molekuler turun di bawah suhu sangat rendah ( < mK), hanya saluran yang paling sederhana (gelombang S atau gelombang P) yang dibiarkan bertabrakan antar molekul, sehingga analisis teoretisnya sangat disederhanakan.
Dari perspektif mekanika klasik, ketika temperatur mencapai nol mutlak, reaksi kimia tidak akan terjadi. Akan tetapi, menurut prinsip mekanika kuantum, reaksi kimia masih dapat berjalan efektif pada nol mutlak.
Oleh karena itu, penelitian eksperimental dan eksplorasi teoritis dari reaksi molekuler pada suhu ultra rendah sangat diperlukan untuk pengembangan teori kimia kuantum dan pemahaman tentang efek kuantum dalam sistem alam dan kehidupan yang lebih kompleks.
referensi:
1. https://arxiv.org/abs/0809.3920
2. https://arxiv.org/abs/1111.4608
3.J. Rui dan dkk. Reaksi pertukaran atom keadaan-ke-keadaan terkontrol dalam campuran atom-dimer ultra dingin, Fisika Alam, Vol. 13, 699 (2017)
4. Bai Ze, pengamatan reaksi kimia keadaan-ke-keadaan dalam campuran atom dan molekul ultra-dingin.
Mozi Salon
Bagikan potongan-potongan dunia ilmiah bersama-sama
- Bagaimana cara mengendarai mobil tanpa setir dan akselerator? Tiket gratis mengundang Anda untuk pergi ke Shanghai Auto Show untuk menyaksikan operasi dewa teknologi hitam!
- Tiga jenis kanker ditemukan pada pria berusia 60 tahun pada saat bersamaan! Kebiasaan hidupnya, Anda harus waspada
- Tertawa! Yue Yunpeng memposting posting pin di Internet, berkata, "Selama ada sedikit cara untuk melakukan ini,"
- Hadiah Natal terhangat, anak laki-laki membuat lebih dari 8.000 boneka beruang, disumbangkan untuk amal
- Operasi Tuhan! Gadis-gadis pasca-90-an Shanghai menjual tiket Disney dengan kerugian! Uangkan 7 juta!
- Gadis berkulit hitam berusia 19 tahun ini tidak takut di-bully dengan warna kulitnya dan memiliki keberanian menghadapi dunia untuk menjadi model paling cantik!
- Halaman depan Bundesliga hari ini: Hazard berjanji pergi ke Dortmund, Bayern tertarik dengan kiper Sandmine
- Kebakaran hutan baru saja melakukan kejahatan, dan api padang rumput akan datang lagi! Hulunbuir sedang menunggu