Chimica quantistica: quando la Natura “gioca con i dadi”

La chimica quantistica è la branca della chimica teorica che ha come obiettivo l’interpretazione dei fenomeni chimici utilizzando la meccanica quantistica. È praticamente lo studio delle reazioni chimiche valutando quanto accade a livello elettronico.

La meccanica quantistica

La meccanica quantistica, è la più completa teoria in grado di descrivere quanto accade nelle interazioni tra materia e radiazione in fenomeni che avvengono su scala, dimensionale e energetica, atomica e subatomica. Sono in molti a pensare che essa sia “controintuitiva” perché descrive comportamenti in contrasto con la meccanica classica. Lo stesso Albert Einstein, che non ha mai accettato questa teoria, disse la famosa frase “He does not play dice“, volendo intendere che le leggi della fisica non possono sottomettersi a incertezza e probabilità.

Interferenza quantistica e reazioni chimiche

L’interferenza rappresenta l’interazione e combinazione di forme d’onda che danno origine ad una nuova onda nella quale l’ampiezza può essere rinforzata o annullata. Analogamente, in parole molto semplici, l’interferenza quantistica rappresenta “l’interferenza” che si verifica tra particelle diverse che arrivano allo stesso punto e provenienti da percorsi diversi.

Una reazione chimica è proprio un processo in cui si verificano collisioni tra atomi e molecole e relativi processi di scattering. È plausibile che vi si possano verificare, quindi, fenomeni di interferenza quantistica.

La reazione di scambio dell’idrogeno

Un gruppo di ricercatori dell’Accademia Cinese delle Scienze ha pubblicato su Science, una ricerca condotta al Dalian Institute of Chemical Physics che sembra confermare come la Natura giochi a dadi anche con la chimica.

L’oggetto dello studio è una delle reazioni chimiche più semplici: la reazione di scambio dell’idrogeno. Questa reazione può essere descritta sinteticamente in questo modo:

H + HD → H₂ + D

Questa semplice reazione sembra aver permesso la scoperta di un nuovo meccanismo di interferenza quantistica. Sono state rilevate, infatti, forti e regolari oscillazioni della funzione energetica in corrispondenza di un determinato angolo di scattering dell’H₂.

Coinvolgendo solo tre elettroni si è rivelato, inoltre, possibile affrontarne lo studio con metodi accurati. Ciò è stato fatto utilizzando la Quasi Classic Theory – QCT, che permette di analizzare i meccanismi dinamici di reazione.

Chimica e dadi?

Lo studio dimostra come, in generale, la reazione evolva attraverso un “reaction route” tradizionale in cui l’atomo di idrogeno collide con l’idrogeno presente nel reagente “HD” e forma la molecola di H₂.

Quello che lo studio però aggiunge è che la reazione sembra avvenire con un differente meccanismo. Come si nota dalla figura precedente, l’atomo di idrogeno sembra approcciare la molecola “HD” in direzione dell’atomo “D” (A). Il legame interno ad “HD” tende ad allungarsi di conseguenza (B). In questo modo è possibile per l’atomo di idrogeno in arrivo, inserirsi (C) e formare la molecola di H₂.

L’H₂ che si ottene da questi due percorsi di reazione è “scattered” allo stesso angolo di scattering (interferenza quantistica). La probabilità che questo nuovo meccanismo si verifichi è, però, solo dello 0,3%.

Questo studio dimostra quindi come le reazioni chimiche siano molto complesse e ne rivela ancora una volta la natura quantistica. Albert Einstein viene ancora una volta smentito, sulla meccanica quantistica, e si, a quanto pare, “He does play dice“.