Průběh nejchladnější reakce světa.

Když se dostaneme na úroveň molekul a atomů, tak se obvykle všechno odehrává velice rychle. Proto je velice obtížné sledovat, co se během chemických reakcí s molekulami vlastně děje. Tým z Harvardu vymyslel způsob, jak chemickou reakci razantně zpomalit, aby ji bylo možné důkladně pozorovat. Jejich výzkum publikoval časopis Science.

Kang-Kuen Ni. Kredit: Harvard University.

Kang-Kuen Ni a její kolegové na to šli vlastně docela jednoduše, i když samotné provedení bylo samozřejmě velice náročné. Před pozorováním samotné reakce zmrazili molekuly i jejich prostředí na extrémně nízkou teplotu. Pak mohli uskutečnit chemickou reakci v doposud nejchladnějších podmínkách a poprvé detailně zobrazit v přímém přenosu, jak si dvě molekuly v této reakci vyměňují atomy.

Absolutní nula, tj. – 273,15 °C je považována za nejnižší možnou teplotu vůbec. Za této teploty absolutně ustane veškerý pohyb a molekuly i atomy „zkamení“. Tým Harvardu během experimentu zmrazil molekuly dotyčné chemické reakce na několik miliontin stupně nad absolutní nulu. Dosáhli teploty 500 nanokelvinů. To je nižší teplota, než jaká se podle našich zkušeností přirozeně vyskytuje kdekoliv ve vesmíru. Kupříkladu nejchladnější místa mezihvězdného prostoru mají teplotu kolem 3 kelvinů, tj. 3 miliardy nanokelvinů. Zároveň nešlo o teplotní rekord, protože v zařízení Cold Atom Lab na palubě Mezinárodní vesmírné stanice dosáhli teploty pouhých 100 nanokelvinů, čili ještě pětkrát nižší.

Cold Atom Lab. Kredit: NASA/JPL-Caltech.

Ni a její tým pracovali s plynem tvořeným molekulami z atomů draslíku a rubidia (KRb). Když se tyto dvě molekuly setkají, tak si navzájem prohodí atomy a vytvoří dvě nové molekuly. Jednu ze dvou atomů draslíku a druhou ze dvou atomů rubidia (KK a RbRb). Za normálních okolností tato reakce proběhne tak nesmírně rychle, že ani nejvýkonnější přístroje dneška nedovedou zachytit samotný průběh této reakce. V jednu chvíli existují dvě molekuly KRb, a pak, jako kouzlem, se najednou objeví molekuly KK a Rb.

Brutální zmrazení pomohlo. Nejchladnější chemická reakce světa zpomalila svůj průběh natolik, že vědci byli schopni sledovat, co se vlastně děje. Zjistili, že v průběhu této reakce dočasně vznikne jediná molekula složená ze všech čtyř zúčastněných atomů. Pak sledovali, jak se rozvolňují původní chemické vazby mezi atomy, a poté vznikají vazby nové.

S tímto postupem teď bude možné studovat chemické reakce mnohem detailněji než doposud. A nejde jen o pozorování. Dramaticky zpomalený průběh chemické reakce umožní, aby vědci mohli do reakce velmi přesně zasáhnout. To otevírá zcela nové možnosti pro řadu rozmanitých aplikací. Podobné zákroky by se mohly uplatnit ve výzkumu a vývoji nových léků, materiálů pro energetiku nebo třeba pro rozličné produkty každodenní spotřeby.

Video:  ICAP 2018 - Kang Kuen Ni


Literatura
Harvard University 28. 11. 2019, Science 366: 1111–1115.