「量子隧道效應」激發了分子超低溫的化學反應

「量子隧道效應」揭示了一種太空物質的化學反應機制，科學家找到了一直以來令他們感到困惑的巨大謎團的線索。幾年之前，科學家在一個太空區域發現了一個巨大的氣體雲，它們由酒精類的化學物質組成，橫亘綿延在太空的距離達到2880億英里，氣體中的甲醇與普通的防凍液、烈酒中的酒精沒有什麼不同，科學家對宇宙的「超級釀酒廠」感到驚嘆，人們想像一下宇宙版諸神的「狂歡豪飲」場景，必然思考一個難以回答的課題：巨量的以氣體形態出現的有機分子如何形成？甲醇類物質如何彌散在太空？

星際空間廣闊無邊，空間的溫度極低，根據經典化學原理的解釋，超低溫的化學反應難以能發生、或化學反應在缺少足夠能量的條件下不能進行，然而與經典化學理論的解釋不同，在太空環境出現了的超低溫的化學反應，更讓科學家不可思議的是，太空的超低溫化學反應速度比在室溫的環境更快。溫度的驟然下降將造成化學反應速度的隨之下降，參加化學反應的低溫物質帶有少量的能量，低溫物質的分子之間發生碰撞的機會減少，重建化學鍵的能力相應降低。

英國利茲大學的一支化學家團隊致力於探索在太空環境發生的超低溫化學反應，他們設想了在太空低溫環境發生的化學反應可能與經典化學原理的描述完全不同、或太空低溫環境中的化學反應可能「繞過」經典化學反應理論描述的情形，從而遵循了一種新的化學反應機制，利茲大學的化學家團隊將超低溫化學反應的機理稱之為「量子隧道效應」，簡單說來，量子空間的「隧道效應」克服了普通、或經典的化學反應所需要能量標準。在量子空間存在一種粒子，它們穿越了一般能量標準的障礙，在參加化學反應的物質之間「大搖大擺」地穿越，超低溫的化學反應得以發生。

利茲大學的化學家德韋恩·赫德是科學團隊的「第一責任人」，化學團隊在地面實驗室創造了極端低溫的條件，實驗的目的在於檢驗高反應性的分子——氫氧自由基如何進行化學反應。去年，科學家在太空首次發現了氫氧自由基有機分子。氣體物質在冷的物體表面產生了收縮現象，化學團隊為此煞費苦心地創造了特別的「氣場」，他們利用了廢棄的土星5號火箭推進器，將它的尾翼噴氣口製作成「出氣口」，在低溫環境中噴出了平行的氣體，冷氣體在到達物體的表面之前發生了化學反應，化學團隊仔細觀察了甲醇和另外一種化學物質——氫氧自由基的化學反應過程。

通過超低溫環境的模擬，化學團隊發現，兩種化學物質——氫氧自由基和甲醇在超低溫環境中產生了化學反應，不僅從中產生了甲氧基物質，而且化學反應的速度是室溫環境的50倍。化學團隊模擬了零下210攝氏度的超低溫條件，大體上相當於在恆星周圍的塵埃氣體的溫度。化學團隊計劃開展更多的實驗，以檢驗在極冷環境發生的化學反應，他們想要通過實驗來檢驗其它一些甲醇類物質的低溫化學反應能力。一直以來，科學家低估了諸如甲醇一類的物質在太空極寒環境的形成速度和它們對複雜分子的破壞能力。

氫氧自由基和甲醇在極寒環境中發生了化學反應，甚至在超低溫63K（—210度）的反應速度大大快於它們在200K的反應速度，這與直觀的感受極不相符，如何從理論上給出解釋？一旦理論的解釋得到證實，科學家可以得出一個推論：星際間的塵埃氣體也許蘊含了比之前的想像更多的化學反應。「量子隧道效應」讓化學物質分子不受低溫條件的約束，它們穿越了能量的障礙，在相互碰撞的過程中產生了化學反應。化學團隊撰寫了題為「在星際溫度中氫氧自由基與甲醇進行的化學反應通過量子隧道機製得到加速」的論文，《自然》刊載了他們的實驗成果。

化學團隊相信，密集的星際氣體雲含有豐富的分子，氣體雲中無電荷物質之間的化學反應速率是化學團隊需要理解的關鍵問題。太空氣體雲通常處在一個超低溫的環境，必定存在一種能夠激化化學反應的機制，以克服化學反應所需最低能量的障礙，假定的「量子隧道效應」在超低溫環境中產生了激化機制。甲醇是太空中最豐富的有機分子，最近在太空化學物質檢測中發現了氫氧自由基，通過氫氧自由基和甲醇在超低溫條件的化學反應，化學團隊發現，它們的化學反應速度在63K時比在200K時加快了兩個數量級。

（編譯：2013-7-2）

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