Ook complete moleculen worden merkbaar beïnvloed door de wetten der kwantumfysica. Pyrrool is de eerste verbinding waarvoor dat experimenteel aangetoond, zo blijkt uit een publicatie die onlangs door Angewandte Chemie online is gezet.

Tot nu toe werd aangenomen dat moleculen simpelweg veel te groot waren om hier ooit iets van te merken.

Onderzoekers van Rutgers University (VS) en de University of Cambridge hebben nu echter een pyrroolmolecuul (C₄H₄NH) plat op een koperoppervlak gelegd, en gekeken hoeveel moeite het kost om het te verschuiven. Daartoe moeten de afzonderlijke delen van het molecuul eerst een beetje los komen van het oppervlak. In de praktijk bleek daar meer dan driemaal zo veel energie voor nodig te zijn als de berekeningen met dichtheidsfunctionaaltheorie voorspelden.

Die oude en vertrouwde dichtheidsfunctionaaltheorie gaat dus in dit geval niet op. De onderzoekers denken dat de fout zit in de aanname dat alleen het gedrag van de elektronen kwantummechanisch wordt omschreven. Voor de veel grotere atoomkernen wordt klassieke Newtonse mechanica toegepast.

Wat je daarbij verwaarloost, zijn de inwendige bewegingen van de atomen binnen het molecuul. Die zijn wel kwantummechanisch bepaald: wat meespeelt is ‘zero-point energy’, een soort energieresidu dat overblijft als het atoom voor het oog onbeweeglijk op zijn plek blijft liggen.

Meestal is het effect daarvan op het complete molecuul te klein om te meten. Maar pyrrool blijkt zo nauwkeurig op het (111) kristaloppervlak van koper te passen, dat een kleine verschuiving een zeldzaam grote invloed op de ‘zero-point energy’ heeft.

Zonder dat effect zou de activeringsenergie, die nodig is om het molecuul over het oppervlak te laten diffunderen, juist relatief gering zijn. Het resultaat is dat je er met je berekeningen zeldzaam ver naast blijkt te zitten.

De onderzoekers vermoeden dat je bij veel van dit soort kleine, platte moleculen hetzelfde effect zult zien, zij het misschien wat minder geprononceerd.

bron: University of Cambridge