囚禁的氢分子表现出量子行为

一组科学家报告,被困在由有机分子制成的小笼子里的氢分子具有意想不到的量子行为,这表明笼子结构影响着囚禁在里面分子的行为。

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这是一个不明飞行物吗?不。这是困在有机包合物笼内旋转的一个氢分子的概率分布。

华盛顿卡内基研究所科学家蒂姆斯特罗贝尔等发现,如果被困在小小有机分子笼子里,氢分子会展现出意想不到的量子行为,这一研究说明在极小尺度空间内,被限制的分子行为会出现很大改变。和经典力学的最大区别是,量子尺度下的不确定性,具有不连续性和几率特征,量子的运动速度和质量绝对不能同时测定。使用最先进的非弹性中子能谱仪,能对包合物分子结构在原子水平上进行动态观察。包合物由一个晶格结构形式的笼子,可像一个分子级监狱捕捉小分子,研究团队使用对苯二酚包合物笼子捕捉氢气分子。让一个氢气分子关闭在每个笼子里,这样可以对孤立的氢气分子的量子行为进行详细检查。

斯特罗贝尔解释说:“将单个孤立粒子限制在一定空间内,给研究这种颗粒的量子行为提高了几乎完美的条件。”研究小组观察了在笼子里慌乱和旋转的氢分子。令人惊讶的是,笼内的氢气分子可以在所有的方向自由旋转。“氢分子的行为类似于粘附在一个金属表面,这是第一次观察到困在包合物内的氢分子,这种二维阻碍转子的量子行为特征。研究结果证明,包合物笼的局部结构极大地影响氢气分子的动力学,导致两个没有化学键的维度偏爱旋转。这一发现可能为设计新的储氢材料提高重要思路

思考:氢气分子如果是自由溶解在生物体内,由于溶解度非常低,也会出现单兵形式,进入生物体内的这些氢气分子是否也具有这种量子行为特征,最新这一研究这对于理解氢气的生物医学效应是否具有启发意义

TimothyA. Strobel et al. Quantum Dynamics of H2 Trapped within Organic ClathrateCages. Physical Review Letters, 2018; 120 (12)

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