Момент превращения веществ удалось «замедлить» в 100 миллиардов раз

Слева – литий (зеленый цвет) с тремя электронами; справа – водород с одним электроном. Так образуется гидрид щелочного металла.

Зрители различных соревнований были очень рады, когда на больших стадионных экранах стали показывать решающие моменты игры. Футбольные судьи пользуются системой VAR, то есть визуальным ассистентом рефери, пересматривая спорные игровые моменты, чтобы вынести взвешенное решение. Когда-то была изобретена высокоскоростная фотокамера, делающая до 5 тыс. кадров, реклама которой показывала «застывшую» пулю, пробившую яблоко. Такие скорости позволяют зрителям гонок «Формулы 1» детально рассмотреть проносящиеся перед ними болиды. А фотофиниш фиксирует победителей легкоатлетических забегов с точностью до миллисекунд. Кстати, человек с такой скоростью отдергивает руку от чего-то горячего, а тренированный вратарь отбивает пенальти, реагируя на летящий мяч, через 100 миллисекунд…

Но что делать, когда физико-химические процессы протекают с умопомрачительными скоростями? Известно, что боровские скачки электронов измеряются долями секунды порядка 10–13–10–14. Электрон, возбуждаясь, поднимается на более высокий энергетический уровень, чтобы через краткий миг релаксировать-рекомбинировать и затем вернуться на исходный (ground) уровень. При этом испускается фотон красного свечения – цвета раскаленного железа, лампочки накаливания или биосвечения.

При достаточном возбуждении электроны преодолевают энергетический барьер, отделяющий разные вещества друг от друга. Он может легко преодолеваться, затем следует протекание реакции, как это можно видеть на примере вспышки огнеопасных продуктов или взрыва гремучей смеси водорода с кислородом (водород легко отдает свой электрон кислороду, резко отрицательному).

Коническая интерсекция, по форме напоминающая уходящие от гравитационных объектов струи-джеты.  Иллюстрации Physorg

Интересно, что на атомном уровне квантовая картина повторяет ту, что наблюдают астрофизики в глубинах Вселенной. Речь идет о черных дырах и нейтронных звездах, окружающих себя дисками космических газов и пыли, а также вещества звезды-компаньонки (если таковая имеется поблизости). С полюсов некоторых из черных дыр или с нейтронной звезды срываются в космос гигантские струи-джеты, имеющие удлиненные конусы. В квантовой химии сходной формы конусы называют коническими пересечениями (CI – Conical Intersection).

Ученые Сиднейского университета использовали имеющийся у них квантовый компьютер для моделирования химической реакции, ход которой удалось «замедлить» в 100 млрд раз! Авторы работы отмечают, что компьютер позволил им достичь намного большего временного и пространственного разрешения. Тем самым подтверждена справедливость теории, выдвинутой еще в 50-е годы прошлого века. Согласно ей, как раз и была предложена геометрическая форма конических пересечений, в которых сходятся вершины конусов электронной плотности, что обеспечивает протекание реакции.

В качестве иллюстрации приводятся электронные плотности лития и водорода в гидриде этого щелочного металла. Между прочим, литий сегодня стал основным компонентом большинства используемых батарей и батареек.

Ученые обращают внимание на то, что их подход позволяет «манифестировать» четкую форму геометрических фаз взаимодействующих подвижных состояний. Это представляется как преимущество для дальнейших расчетов и предсказаний хода химических реакций. Сейчас это просто невозможно, поэтому химической промышленности не под силу получение продуктов повышенной чистоты.

Можно напомнить, что перед разными видами промышленности стоят пока трудноразрешимые проблемы не только производства тех же батарей с солнечными панелями, но и эффективной очистки сточных вод, а также утилизации всего, что произведено.