In der Vergangenheit haben Chemiker Temperatur, Druck, Licht und andere chemische Methoden eingesetzt, um chemische Reaktionen zu beschleunigen oder zu verlangsamen. Nun haben Forscher der Universität Rochester eine Theorie entwickelt, die eine andere Methode zur Steuerung chemischer Reaktionen erklärt – eine Methode, die nicht auf Wärme oder Licht basiert, sondern auf der Quantenumgebung, die die Moleküle umgibt.
In einem neuen Artikel argumentieren die Forscher – darunter Frank Huo, Dekan und Laura Marvin-Stiftungsprofessor für Physikalische Chemie am Fachbereich Chemie der Universität Rochester, sowie die Doktoranden Sebastian Montillo und Wenxiang Ying –, dass traditionelle Theorien zur Vorhersage der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen möglicherweise nicht vollständig erfassen, was unter bestimmten Bedingungen der Quantenlicht-Materie-Wechselwirkung geschieht. Um dies zu untersuchen, entwickelten sie eine neue Theorie, die zeigt, wie Quanteneffekte – insbesondere ein Effekt namens „Vibrational Strong Coupling” (VSC) – chemische Reaktionen beeinflussen können.
Dieses Phänomen wurde bereits in Experimenten beobachtet, aber die neue Theorie hilft zu klären, wie es funktioniert, und könnte den Weg für präzisere, energieeffizientere chemische Prozesse ebnen, mit potenziellen Anwendungen in der Fertigung, Medizin und bei fortschrittlichen Materialien.
„Unsere Arbeit könnte die erste Theorie liefern, die die experimentell beobachteten Phänomene beschreibt“, sagt Huo. „Sie zeigt uns, dass die Quantenumgebung allein die Chemie auf eine Weise beeinflussen kann, die wir bisher für unmöglich gehalten haben, und eröffnet neue Möglichkeiten für Materialien und Technologien.“
Ein Rätsel der Quantenchemie lösen
Im Jahr 2016 machte eine Gruppe von Wissenschaftlern eine überraschende Entdeckung: Sie konnten die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion verändern, indem sie die reagierenden Moleküle in einen winzigen Raum zwischen zwei Goldspiegeln brachten, die nur millionstel Meter voneinander entfernt waren. Dadurch entstand eine Umgebung – ein sogenannter optischer Mikrokavität –, in der die Quantenenergie und die elektromagnetischen Felder im Raum selbst mit den natürlichen Schwingungen der Moleküle gekoppelt werden konnten und die chemischen Reaktionen zwischen den Molekülen verlangsamten oder beschleunigten. Dieser Effekt wird als starke Schwingungskopplung bezeichnet.
Seitdem hat die VSC die Forscher vor ein Rätsel gestellt. In den letzten fünf Jahren haben Huo und seine Kollegen eine Theorie entwickelt, die dieses Phänomen erklärt, damit VSC verstanden, genutzt und kontrolliert werden kann. Mithilfe von Computersimulationen und Prinzipien der Quantenmechanik entwickelten sie ihre neue Theorie, die erklärt, warum der VSC-Effekt auftritt oder nicht auftritt, wie eine Veränderung der Stärke der Wechselwirkung die Reaktionsgeschwindigkeit beeinflusst und was dies für die Zukunft der Chemie bedeuten könnte.
„Das war wie das Lösen eines kniffligen Puzzles, bei dem alle rätselhaften Merkmale von VSC endlich zusammenpassten“, sagt Huo. „Diese neue Strategie von VSC kann eine Reaktion selektiv verlangsamen oder beschleunigen und bietet einen Paradigmenwechsel in der synthetischen Chemie, der erhebliche Auswirkungen auf die Arzneimittelentwicklung und die Materialsynthese haben könnte.“
