混合件轻松事粒子提供诱人的化学控制的新方法

人们认为我们所做的是完全的,”回忆说托马斯艾布森在法国斯特拉斯堡大学的。“当我们试图提交(2012《应用化学》纸,¹有一个裁判报告,非常短,简单地说:“这不是科学,这是科幻小说”。

对许多人来说,艾布森的研究确实可能听起来像虚构的。他的团队展示了它可能会改变photoisomerisation反应的速率和产量-而不是在烧杯中携带两个镜子把它在一个小空间。空间中不含化学催化剂,不明显,可能会使这一切成为可能。研究人员所做的就是利用真空场的力量,一种奇怪的量子力学汤周围一切。

说,2012年是为每个人大开眼界菲利普Herrera领导大学分子量子科技集团圣地亚哥,智利。没有人相信这个,人们花费也许两到三年,直到他们可以繁殖的结果。”

尽管真空场催化仍处于起步阶段,还没有任何实际应用,它可以带来catalyst-free催化、超选择性减少二氧化碳和新的photosensitisers。它可能会成为一个强大的工具来引导光催化化学反应类似。我认为这一领域产生深远影响,”埃雷拉说。

一种新型的化学

这是现代物理学的观点,没有所谓的真正的空白,“写了物理学家布莱恩·斯金纳从俄亥俄州立大学,在十年前,在他的博客上。物理学家发现,宇宙充满了一个充满活力的汤,煮沸和泡沫粒子出现一样迅速消失。尽管这几乎听起来像一个荒谬的返回袭以太理论,实验结果——就像卡西米尔效应——早已建立了真空场的存在。

但是现在已经坚定地在物理领域开始感兴趣的化学家,他希望有一天这种真空场催化反应。从创造他们这么做极化声子,混合粒子部分光线,部分问题。它们形成-即使没有光当分子强烈相互作用自发地抛出了所谓的虚拟光子真空领域。

创建极化声子的光和物质不是与创建一个分子中两个原子,Herrera解释道。把两个原子接近在一起,形成一个分子,一个新的实体,新的轨道,和化学性质。同样,父母分子极化声子经常有截然不同的反应,所以戏剧性的事实上,他们可以被比作一个新的物态。

尽管一个小领域,它已经可以看到一个上升的科学界的关注。根据网络的科学,研究包含关键字“分子极化声子”翻了一番,从2017年的不到25上升50多2019年。自年初以来Covid-19封锁,约200名科学家参加每周在线研讨会在极化声子化学由加州大学圣地亚哥分校的研究人员。

我认为这个领域将打开许多思想,尤其是实验化学的同事,”埃雷拉说。这就是为什么我喜欢这个领域,因为它是一个也许50或60年的量子光学之间的桥梁,或许100年的物理化学。

腔化学

使分子与真空场交互一样容易把它们在一个空腔。简单地说,光学腔由两个镜子面对面和在某些情况下只相隔几纳米。蛀牙是激光器的重要组成部分,他们为光波形成谐振器。但在黑暗中,他们可以用来创建极化声子。自由空间是无限的,真空场的波动非常小,这就是为什么我们没有看到在自由的空间,强耦合的Herrera解释道。如果你限制领域成小空间,那么这些真空波动非常大。”

梦想是有超选择性化学协议使用蛀牙

Joel Yuen-Zhou加州大学圣地亚哥

空腔的大小决定虚拟光子的波长,可以住在里面。匹配这个波长共振与分子键的震动或电子件轻松事混合过渡创造了条件,形成分子极化声子。

一个实验来创建polaritonic状态似乎令人惊讶的是原油:镀银玻璃幻灯片作为镜子中间夹入一层目标分子的。设置是用螺丝,所以腔的共振频率可以调整每分钟改变mirror-to-mirror距离螺丝刀。

之前2012年,物理学家已经修改分子的光学性质,如光发射率,以这种方式。但艾布森的研究小组首次显示,把分子空腔内也可以改变其化学性质。这是一个概念验证,和其他研究自暗示的诱人前景控制化学以一种全新的方式。这是革命性的,当然挑战我们如何看待化学反应,”说有熊工作在超快光谱在美国加州大学圣地亚哥。

控制反应速率

尽管合成化学家可能看不到腔催化剂很快他们最喜爱的化学品供应商的目录,有进步。在预印本出版于2018年,一个团队Hidefumi Hiura日本NEC公司报道增加10000倍的速率氨硼烷水解时把腔内含有水电磁声子。²去年,一群艾布森和斯特拉斯堡的同事约瑟夫·莫兰表明真空场的耦合改变了产品的比例在一个反应可以产生两种不同的产品。³今年早些时候,科学家领导的吴克群平井一夫和Hiroshi里头还是我从北海道大学、日本、调谐腔酮的羰基伸展运动和醛,减慢的速度普林斯cyclisation70%。⁴

人学习量子电动力学不常坐在高级有机化学类,反之亦然

哈佛大学Prineha纳

“多远我们可以推动这些变化吗?“奇迹计算材料科学家Prineha纳来自美国哈佛大学。我们能有一些完全选择一个产品和关闭了所有其他产品,特别是反应技术的相关性?减少的二氧化碳将是其中的一个反应,她补充道。

虽然polaritonic化学可能不会成为下一个大事件为工业合成、流设置漏斗试剂通过腔扩大反应可以提供一个解决方案。我认为它会非常高兴看到控制化学三联体国家,“建议Herrera。有很多photosensitisers用于工业,依靠电子成为未配对。

的梦想是超选择性化学协议使用蛀牙,”说乔尔Yuen-Zhou工作在电磁声子化学加州大学圣地亚哥,我们。“这仍处于开发阶段,但它可能与适当的光子的架构,这将是可能的。”

然而,到目前为止,研究人员还没能表明真空场催化反应是不可能或很难与其他类型的化学。这是我们想证明什么,“艾布森说。但目前,我们试图理解底层机制为什么有些反应增强,一些反应慢了下来。

到底是怎么回事?

在大多数情况下,科学家们仍然不知道底层真空场催化的微观机制。当分子坐腔内,只有一小部分——不到1%——实际上是占领polaritonic状态。其余的都是在黑暗的状态,可以比作非键轨道。如何宏观变化发生在大多数分子剩下的“黑暗”仍然是一个谜。

“有时混淆或相互矛盾的证据,”埃雷拉说。的机制,同事总结一篇论文不适合一个非常相似的分子在另一篇论文。起初,研究人员试图原因,极化声子的不可预知的行为是由于能量的变化反应势垒的变化。

然而,第一个理论⁵然后实验⁶证据——比如像极性键的事实更强烈影响比非极性-现在点振动对称性解决黑暗状态悖论的关键。可以自然的自激振动模式或de-excited真空场取决于他们的偶极对称,解释Herrera——尽管这个链接反应速率变化尚不清楚。

一个模型,再现了——更不用说预测不同化合物的行为是如何失踪。科学家们所追求的是一组规则不像Woodward-Hoffman规则:简单的事情,不过反映了底层的量子力学的复杂性。

大多数反应研究迄今为止被蛀牙而不是加速放缓——通常不是化学家的催化剂。但这种现象发生的原因以及如何加快保持开放问题,熊说。只有我们能理解我们需要把旋钮,我们可以控制选择性,”他补充道。

的前景仍然做反应,只需把试剂两个镜子之间仍然是有趣的。是否这是一个万能工具——我认为,到目前为止,我不会说但我不会丢弃它在未来,“Yuen-Zhou说。“就像photoredox催化,你只需要找到合适的类的反应。

当然可能有说越来越多的人成为参与和合作在这个领域。学习量子电动力学的人不经常坐在高级有机化学类,反之亦然——有一个缺口需要弥补,”纳说。但当然这也是很多激动人心的发现是从哪里来的。”