“量子隧道效应”激发超低温的化学反应

“量子隧道效应”揭示了太空物质的一种化学反应机制，一直以来，科学家对一个大的谜团感到困惑不解，他们现在找到了解开谜团的线索。几年以前，科学家在一个太空区域发现了一个巨大的气体云，该气体云由酒精类的化学物质组成，横亘绵延在太空的长度达到了2880亿英里，气体云含有的甲醇与普通的防冻液和烈酒中的酒精基本相同，宇宙太空的“超级酿酒厂”令人感到惊叹，想象一下宇宙版诸神狂欢豪饮的场景，人们思考了一个难以回答的问题，有机分子在巨量的气体云中如何形成？甲醇物质如何在太空中弥散开来？

星际空间广阔无边，太空温度低到接近绝对零度，依照经典的化学原理，化学反应在超低温度的环境中难以发生，化学反应只有在足够能量的条件下才能进行，然而，经典的化学理论解释不通，太空物质发生了超低温度的化学反应，不仅如此，科学家感到不可思议的是，在太空发生的超低温度的化学反应比室温环境的化学反应还要快。温度骤然下降，化学反应的速度随之下降，低温物质在化学反应中通常带有少量能量，分子在低温物质中发生碰撞的机会减少，它们重建化学键的功能随之降低。

英国利兹大学的一支化学家团队探索了在太空中发生的超低温化学反应，在太空低温环境发生的化学反应可能与经典的化学原理不相符合，这种化学反应可能回避了经典的化学反应原理，或遵循了某种新的化学反应机制。利兹大学的化学家团队将超低温度的化学反应机理定义为“量子隧道效应”，简单说来，量子空间隧道效应把不可能的化学反应变成了可能，不遵循普通或经典的化学反应所需的标准能量。量子空间有穿越了标准能量障碍的粒子，它们在参加化学反应的物质之间自由地穿越，超低温度的物质化学反应得以发生。

利兹大学的化学家德韦恩·赫德和团队成员在地面实验室创造了极低温的环境，实验目的是检验高反应性分子——氢氧自由基发生的化学反应，科学家去年在太空中首次发现了有机分子氢氧自由基。气体物质在冷物体表面会产生收缩现象，化学团队创造了特别的气体场合，利用废弃的土星5号火箭推进器，他们将尾翼喷气口做成了出气口，从低温环境的出口喷出了平行气体，冷气体在到达物体表面之前发生了化学反应，他们仔细观察了甲醇和作为化学物质的氢氧自由基如何发生化学反应的过程。

化学团队在超低温的模拟实验中发现，两种化学物质——氢氧自由基和甲醇在超低温的环境发生了化学反应，从中产生了甲氧基物质，化学反应速度是室温条件的50倍。化学团队模拟了零下210摄氏度的超低温环境，几乎相当于恒星周围尘埃气体的温度，他们还将进行多次实验，检验在极冷环境中发生的化学反应，计划通过实验检验其它甲醇类物质的低温化学反应能力。长期以来，科学家低估了甲醇之类的物质在太空极寒环境中形成的速度和对复杂分子的破坏能力。

氢氧自由基和甲醇在极寒条件下发生了化学反应，甚至在超低温度63K或零下210度的化学反应速度明显高于它们在200K的化学反应速度，似乎与人们的直观感受极不相符，有必要从从理论上给出解释，理论解释一旦得到证实，可以得出一个推论，即：星际间的尘埃气体可能比以前的预想有更多的化学反应。量子隧道效应使得化学物质的分子摆脱了低温条件的制约，这些分子穿越了能量障碍，在相互碰撞过程中产生了化学反应。《自然》杂志发表了题为“氢氧自由基和甲醇在星际温度进行的化学反应通过量子隧道机制得到了加速”的论文。

利兹大学的化学团队认为，密集的星际气体云含有巨量的分子，气体云内的无电荷物质发生了化学反应，需要理解的一个关键问题是反应的速率。太空气体云通常处于超低温度的环境，存在某种激发化学反应的机制，破除化学反应所需要的最低能量的障碍，量子隧道效应可能在超低温度的环境中产生了激化功能。甲醇是太空中最丰富的有机分子，在太空化学物质的观测中发现了氢氧自由基，通过氢氧自由基和甲醇在超低温条件下发生的化学反应，化学团队发现它们的化学反应速度在63K时比在200K时高出了两个数量级。

（编译：2021-7-2）

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