La fisica quantistica può essere annoverata tra le teorie più rivoluzionarie del XX secolo, poiché, attraverso i suoi principi, ha fornito delle spiegazioni plausibili sul comportamento della materia su scala atomica e subatomica, introducendo inoltre i concetti di incertezza e di probabilità legati al verificarsi di un evento. Tali concetti destarono qualche perplessità tra gli scienziati contemporanei, e lo stesso Einstein manifestò il proprio dissenso con la famosa frase: “Lui (Dio o la Natura) non gioca a dadi”.
Nella seconda metà degli anni Venti, alcuni scienziati iniziarono ad applicare i principi della meccanica quantistica alle reazioni chimiche, dando origine alla chimica quantistica, ovvero allo studio delle reazioni a livello di elettroni.
Lo scorso 15 maggio una ricerca condotta al Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) dell’Accademia Cinese delle Scienze e coordinata dai professori YANG Xueming, ZHANG Donghui, SUN Zhigang e XIAO Chunlei, ha mostrato che, nella più semplice delle reazioni chimiche, esisterebbe effettivamente un’interferenza quantistica, contravvenendo quindi al pensiero di Einstein; ovvero, la Natura gioca veramente a dadi.
La reazione oggetto dello studio è H + HD → H2 + D (reazione di scambio dell’idrogeno, dove D è un qualunque atomo).
Per comprendere meglio il fenomeno, innanzitutto è necessario spiegare brevemente cosa si intenda per interferenza.
Essa rappresenta la combinazione di due o più forme d’onda che danno origine a un’unica onda nella quale l’ampiezza può essere rinforzata o annullata. L’interferenza quantistica può verificarsi tra particelle che arrivano allo stesso punto (o allo stesso stato), ma provenienti da due percorsi differenti.
Se consideriamo che, di fatto, una reazione chimica è essenzialmente un processo in cui avvengono delle collisioni tra atomi e/o molecole, con conseguenti deviazioni delle loro direzioni (processo di scattering), è plausibile attendersi che in una reazione chimica possano verificarsi dei fenomeni di interferenza quantistica.
I ricercatori del DICP, durante lo studio della reazione H + HD → H2 + D, hanno riscontrato, con una particolare regolarità, delle oscillazioni della funzione energetica in corrispondenza di un determinato angolo di deviazione (scattering) del prodotto H2 della reazione.
Per comprendere meglio il fenomeno osservato, i ricercatori hanno quindi condotto, contemporaneamente, uno studio sperimentale e teorico della reazione H + HD → H2 + D.
Da un punto di vista sperimentale, ottimizzando l’apparato che determina il fascio molecolare incrociato, hanno registrato i segnali di diffusione delle particelle coinvolte in una reazione chimica, a un determinato angolo di incidenza, in funzione dell’energia della reazione.
Inoltre, hanno sviluppato dei metodi di dinamica quantistica, applicando la teoria topologica per analizzare l’evolversi della reazione. La teoria topologica ha evidenziato che le oscillazioni regolari della funzione energetica osservate, scaturiscono dalla interferenza tra i prodotti della reazione generati da due percorsi differenti.
Da un punto di vista teorico, i meccanismi dinamici della reazione sono stati studiati utilizzando la teoria della traiettoria quasi-classica (Quasi Classic Theory – QCT). I risultati hanno dimostrato che la reazione si evolve attraverso due percorsi: in uno, viene rispettato il meccanismo tradizionale dell’estrazione diretta dell’elettrone dall’atomo di idrogeno, ovvero, l’atomo H incidente collide con l’atomo H nella molecola biatomica reagente HD e ne estrae l’elettrone per formare un nuovo legame chimico H2.
Nell’altro percorso, invece, l’atomo H incidente, attraverso quella che viene chiamata regione di intersezione conica, inizialmente si avvicina all’atomo D della molecola biatomica HD, e quindi fa sentire la sua presenza intorno a D. La presenza dell’atomo incidente H nella regione di intersezione conica determina un allungamento del legame HD, permettendo così all’atomo vagante H di inserirsi dentro la molecola HD allungata. A questo punto, l’atomo incidente H forma un nuovo legame chimico con l’atomo di idrogeno della molecola biatomica HD.
È stato dimostrato che i prodotti della reazione (H2) provenienti dai due differenti percorsi vengono diffusi allo stesso angolo di incidenza (angolo di scattering), che corrisponde esattamente all’area in cui si verifica l’interferenza quantistica.
Le ricerche effettuate dimostrano altresì che questo meccanismo quantistico si realizza con probabilità che non superano lo 0,3% di tutte le reazioni.
In definitiva è quindi avvalorata l’idea che, a livello microscopico, le reazioni chimiche presentano una natura quantistica, anche se con tassi di probabilità molto bassi. Ma ciò non esclude la possibilità che da un meccanismo di reazione così poco probabile non si possa giungere a risultati di importanza rilevante.
