Детальное понимание физики отдельных атомов, взаимодействующих друг с другом на микроскопическом уровне, может привести к открытию новых возникающих явлений, помочь направить синтез новых материалов и даже помочь будущей разработке лекарств.Но в атомном масштабе классические, так называемые ньютоновские правила физики, которые вы изучали в школе, неприменимы.
На арене сверхмалых размеров необходимы различные правила, регулируемые квантовой механикой, чтобы понять взаимодействия между атомами, где энергия дискретна или непостоянна, а положение по своей сути неопределенно.Исследовательская группа, в которую входили Анибал Рамирес-Куэста, Люк Дэмен и Юнцян Ченг из Окриджской национальной лаборатории, а также Тимоти Дженкинс и Крейг Браун из Национального института стандартов и технологий, использовали спектроскопические инструменты, в том числе современные ультрасовременный спектрометр неупругих нейтронов под названием VISION в источнике нейтронов расщепления для исследования динамики на атомном уровне особого вида молекулярной структуры, называемой клатратом.
Клатраты состоят из решетчатой структуры, которая образует клетки, удерживающие внутри другие типы молекул, как тюрьма молекулярного масштаба. Клатрат, который исследовала команда, называемый? -Гидрохинон, состоял из клеток, сделанных из органических молекул, которые улавливают H2. В каждой клетке присутствует только одна молекула H2, поэтому квантовое поведение изолированных молекул можно было бы подробно изучить.
«Практические примеры изолированных квантовых частиц, захваченных внутри четко определенных пространств, дают возможность исследовать динамику в условиях, приближающихся к совершенству, подобному моделированию», — пояснил Штробель.Исследовательская группа смогла наблюдать, как молекула водорода гремит и вращается внутри клетки. Удивительно, но наблюдаемое вращательное движение было непохоже на движение H2, захваченного в связанных системах, в которых молекулы могут вращаться почти свободно во всех направлениях.
«Поведение, которое мы здесь наблюдали, похоже на поведение молекул H2, которые прилипают к металлической поверхности», — пояснил Штробель. «Впервые такое поведение, известное физикам как двумерный ротор с препятствиями, наблюдается для водорода, заключенного в молекулярный клатрат».Оказывается, локальная структура клатратного каркаса сильно влияет на динамику H2, вызывая предпочтение вращения в двух измерениях, несмотря на то, что в нем отсутствуют химические связи. Помимо фундаментальных открытий, это открытие может иметь важные последствия для разработки материалов для хранения водорода, которые могут улавливать H2 для использования в энергетике и на транспорте.Эта работа была поддержана в рамках Центра энергетических исследований в экстремальных условиях (EFree), исследовательского центра Energy Frontier, финансируемого Управлением науки Министерства энергетики США в рамках награды № DE-SC0001057.
В этом исследовании было задействовано использование лучевого канала VISION (IPTS-16698) в источнике нейтронов расщепления ONRL, которое поддерживается Отделом научных пользовательских объектов Управления фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США по контракту № DE-AC0500OR22725 с UT Battelle. , ООО.