מדעני מכון ויצמן למדע בחנו תגובות כימיות בטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט

בטמפרטורות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט, תגובות כימיות עשויות להתחולל בקצב מהיר הרבה יותר משצופה הכימיה הקלאסית, מכיוון שבטמפרטורות אלה נכנסות לתמונה תופעות קוונטיות

בטמפרטורות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט, תגובות כימיות עשויות להתחולל בקצב מהיר הרבה יותר משצופה הכימיה הקלאסית, מכיוון שבטמפרטורות אלה נכנסות לתמונה תופעות קוונטיות. צוות מדענים ממכון ויצמן למדע אימת את ההשערה התיאורטית הזו באופן ניסיוני. ממצאיהם לא רק מספקים תובנות חדשות אודות העולם הקוונטי שבו חלקיקים מתנהגים גם כגלים, אלא עשויים גם להסביר כיצד מתרחשות תגובות כימיות במרחבים הקפואים שבחלל.

תיאוריות ארוכות שנים גורסות כי בטמפרטורות נמוכות, תופעות קוונטיות גורמות ליצירתו של קשר כימי ארעי, אשר "מכריח" את האטומים והמולקולות המתנגשים להקיף אלה את אלה – במקום להתרחק (להתפזר) ממקום ההתנגשות. לאטומים ולמולקולות המצויים בקשר מסוג זה יש הזדמנויות רבות יותר ליצור יחסי גומלין ולקיים תגובות כימיות. לפי השערה זו, גם תגובה כימית שסיכוייה להתחולל בעולם הרגיל קלושים, תוכל להתבצע בקצב מהיר יחסית, בעולם הקר שבו מתקיימים הקשרים הכימיים הארעיים.

ד"ר אד נרייביצ'יוס וחברי קבוצתו מהמחלקה לפיסיקה כימית שבפקולטה לכימיה הצליחו באחרונה לבצע תגובה כימית בטמפרטורה של מאית המעלה מעל האפס המוחלט (0.01°K – קרוב למינוס 273°C). ממצאיהם התפרסמו השבוע בכתב-העת המדעי Science.
"בכימיה הקלאסית אנחנו חושבים על תגובות כימיות במושגים של התנגשויות בין כדורי ביליארד, רק בסקאלה אטומית", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "על-פי התמונה הקלאסית הזו, מחסומי תגובה אנרגטיים מפריעים לכדורים להתקרב זה לזה. בעולם של הפיסיקה הקוונטית, לעומת זאת, הכדורים מסוגלים לעבור דרך המחסומים באמצעות מינהור, משום שבטמפרטורות אולטרה-נמוכות אלה הם רוכשים תכונות של גל".

המאמצים לצפות בתופעות קוונטיות במהלך תגובות כימיות התחילו לפני כמחצית המאה, בניסוייהם פורצי הדרך של דדלי הרשבך ויואן ט. לי, שמאוחר יותר זכו בפרס נובל. הם הצליחו לצפות בתגובות כימיות שנוצרות בעקבות התנגשות של שתי אלומות מולקולריות אולטרה-סוניות. ועדיין, התנגשויות אלה מתחוללות במהירויות יחסיות גבוהות, אשר מתבטאות בטמפרטורת תגובה מעל K°100 – חם מכדי לאפשר התחוללות של תופעות קוונטיות. מאז אותם ניסויים חלוציים השתמשו מדענים במיגוון שיטות, כולל שינוי הזווית של האלומות והאטת מהירותן עד לעצירה מוחלטת. באמצעות שיטות אלה הצליחו להוריד את הטמפרטורה עד ל-5°K: קרוב יותר לאפס המוחלט, אך עדיין לא מספיק קר כדי לצפות בתופעות קוונטיות.

החידוש שהכניסו ד"ר נרייביצ'יוס וחברי צוותו, שכלל את אלון הנסון, סשה גרשטיין, יובל שגם וג'וליה נרייביצ'יוס, הוא מיזוג של שתי האלומות – במקום לגרום להן להתנגש זו בזו. אלומה אחת נוצרה ושוגרה בקו ישר, ואילו לאלומה השנייה הם גרמו להתעקם (באמצעות שדה מגנטי) עד שנעה במקביל לאלומה הראשונה. באופן זה, למרות המהירות הגבוהה של האלומות, המהירות היחסית של החלקיקים הנפגשים זה בזה הייתה נמוכה מאוד. כך עלה בידיהם להשיג טמפרטורה של מאית המעלה בלבד מעל האפס המוחלט. אלומה אחת הכילה אטומי הליום שעברו עירור, והאלומה השנייה הכילה אטומי ארגון או מולקולות מימן. בתגובה הכימית שנוצרה, אטומי הארגון או מולקולות המימן עברו יינון, כלומר, שחררו אלקטרונים.

כדי לבדוק האם תופעות קוונטיות באו לידי ביטוי במהלך היינון, המדענים בחנו את קצב התגובה באנרגיות שונות. המדידות הראו כי באנרגיות התנגשות גבוהות שלטו החוקים הקלאסיים: קצב הריאקציה הלך ופחת עם ירידת הטמפרטורה. אבל כאשר הטמפרטורה ירדה מתחת ל-3°K, התוצאות סטו מהתחזיות הקלאסיות הצפויות, וקצב התגובה החל לעלות ולרדת לסירוגין. מדידות אלה הוכיחו כי בשלב זה נכנסה לתמונה תופעה קוונטית מוכרת, של תהודה בעקבות מינהור: באנרגיות נמוכות החלקיקים מתחילים להתנהג כגלים, "זולגים" דרך מחסומי האנרגיה של התגובה, ועוברים התאבכות בונה עם גלים המוחזרים בעקבות ההתנגשות. באנרגיות מסוימות נוצרים באופן זה גלים עומדים, שמשמעותם היא שהחלקיקים נלכדים לפרקי זמן ממושכים במסלולים מעגליים זה סביב זה. בעקבות לכידה זו קצב התגובה הכימית גדל משמעותית.

"הניסוי שלנו הוא הוכחה ניסיונית ברורה לכך שקצב של תגובה כימית עשוי להשתנות במידה דרמטית בטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט", אומר ד"ר נרייביצ'יוס. "מעבר לתוצאות המפתיעות שהשגנו, הוכחנו כי השיטה שלנו מאפשרת מדידה סופר-רגישה של הדינמיקה של תגובות כימיות. דבר נוסף שעולה מהממצאים, הוא שהבנתנו את התגובות הכימיות – ואפילו הפשוטות ביותר שבהן, כמו יוניזציה – רחוקה מלהיות מושלמת. עלינו לבחון מחדש את המודלים התיאורטיים הקיימים, ולייצר מודלים טובים יותר. אנו מצפים כי השיטה שלנו תשמש לפתרון תעלומות רבות הכרוכות בתגובות כימיות, במיוחד באלה המתרחשות בחלל, שמטיבען אכן יוצאות אל הפועל בטמפרטורות נמוכות ביותר".