Hoe kwantumfysica op het punt staat de biochemie te revolutioneren

Een van de vreemde gevolgen van de kwantummechanica is het fenomeen van niet-onderscheidbaarheid - dat twee kwantumdeeltjes onmogelijk van elkaar te onderscheiden zijn, zelfs niet in principe. Dit gebeurt gedeeltelijk omdat het onmogelijk is om de precieze positie van kwantumdeeltjes te bepalen. Dus wanneer twee deeltjes op dezelfde locatie op elkaar inwerken, is er geen manier om te weten welke welke is.

Dat geeft aanleiding tot wat exotisch gedrag, vooral bij lage temperaturen wanneer grote aantallen deeltjes zich op dezelfde manier kunnen gedragen. De ononderscheidbaarheid van fotonen maakt lasers mogelijk, de ononderscheidbaarheid van helium-4 kernen bij lage temperatuur leidt tot supervloeibaarheid en de ononderscheidbaarheid van andere kernen zoals rubidium leidt tot Bose-Einstein condensaten. Ononderscheidbaarheid is rijk aan mysterieuze verschijnselen.

Maar sommige kwantumdeeltjes zijn op deze manier niet van elkaar te onderscheiden. Het is bijvoorbeeld verboden voor elektronen om dezelfde staat te delen door een wet die bekend staat als het Pauli-uitsluitingsprincipe. En dat leidt tot een ander soort natuurkunde. De interacties tussen elektronen, beheerst door dit Pauli-uitsluitingsprincipe, wordt chemie genoemd en is even rijk aan exotisch gedrag.

De werelden van scheikunde en niet te onderscheiden natuurkunde werden lange tijd als volledig gescheiden beschouwd. Ononderscheidbaarheid treedt over het algemeen op bij lage temperaturen, terwijl chemie relatief hoge temperaturen vereist, waarbij objecten de neiging hebben hun kwantumeigenschappen te verliezen. Dientengevolge hebben scheikundigen er lang vertrouwen in gehad de effecten van kwantum-ononderscheidbaarheid te negeren.

Vandaag zeggen Matthew Fisher en Leo Radzihovsky van de Universiteit van Californië, Santa Barbara, dat dit vertrouwen misplaatst is. Ze laten voor het eerst zien dat kwantum-ononderscheidbaarheid een belangrijke rol moet spelen in sommige chemische processen, zelfs bij gewone temperaturen. En ze zeggen dat deze invloed leidt tot een geheel nieuw chemisch fenomeen, zoals isotopenscheiding, en zou ook een eerder mysterieus fenomeen kunnen verklaren, zoals de verhoogde chemische activiteit van reactieve zuurstofsoorten.

Verwant verhaal

Verwant verhaal Onderzoekers in China hebben een foton van de grond geteleporteerd naar een satelliet die zich meer dan 500 kilometer boven de aarde bevindt.

Kortom, Fisher en Radzihovsky zetten de chemie op zijn kop.

De belangrijkste vraag achter dit nieuwe denken is of kwantumeigenschappen echt kunnen worden genegeerd in de meeste chemische reacties. Fisher en Radzihovsky zeggen dat hoewel het in het algemeen waar kan zijn dat kwantumeigenschappen verloren gaan bij hoge temperaturen, bepaalde kwantumverschijnselen blijven bestaan.

Ze wijzen met name op de kwantumcoherentie van atoomkernen. Natuurkundigen weten al lang dat de spins van kernen coherent kunnen blijven over tijdschalen van minuten of uren. Ze exploiteren dit fenomeen inderdaad in een breed scala van kwantumcomputerexperimenten die afhankelijk zijn van kernspins om kwantuminformatie op te slaan.

Het is gemakkelijk om te denken dat kernspins geen significant effect hebben op de manier waarop elektronen met elkaar omgaan in chemische reacties.

Maar dat is niet het geval, zeggen Fisher en Radzihovsky. Kernspins kunnen gemakkelijk worden gekoppeld aan andere fysieke toestanden, zoals de manier waarop een molecuul trilt. Wanneer dit gebeurt, lekken de eigenschappen van ononderscheidbaarheid die normaal beperkt zijn tot kernen uit en beïnvloeden het molecuul als geheel.

Fisher en Radzihovsky zeggen dat dit een bijzonder sterk effect heeft op kleine symmetrische moleculen, zoals water of waterstof. De reden is dat wanneer de spins van twee kernen op elkaar inwerken, symmetrie dicteert dat ze bepaalde configuraties kunnen aannemen, maar andere niet.

Wanneer die symmetrie in de chemische wereld lekt, betekent dit dat het molecuul alleen kan interageren in situaties met vergelijkbare spinsymmetrie.

Een waterstof- of watermolecuul bevat bijvoorbeeld twee waterstofkernen die ofwel in dezelfde richting kunnen draaien, in welk geval het molecuul bekend staat als ortho-water, of in de tegenovergestelde richtingen, in welk geval het molecuul bekend staat als para-water. Deze verschillende rangschikkingen van hetzelfde molecuul staan ​​bekend als spin-isomeren.

Dat heeft gevolgen voor de manier waarop moleculen met elkaar omgaan. Bij veel chemische reacties is de manier waarop moleculen in elkaar grijpen belangrijk. Als de moleculen niet in elkaar passen als een sleutel in een slot, kan de reactie niet plaatsvinden.

Verwant verhaal

Verwant verhaal De zoekgigant is van plan een mijlpaal in de computergeschiedenis te bereiken voordat het jaar om is.

Fisher en Radzihovsky laten zien dat kwantum-ononderscheidbaarheid invloed heeft op de manier waarop moleculen in elkaar passen, omdat het interacties voorkomt die niet overeenkomen met de symmetrie van de kernen.

De onderzoekers tonen verder aan dat dit effect ervoor zorgt dat para-moleculen aanzienlijk reactiever zijn dan ortho-moleculen, omdat hun symmetrie overeenkomt met die van een groter aantal andere moleculen.

Een gebied waar dit een belangrijke rol kan spelen, is de enzymatische katalyse. Veel enzymen zijn voor hun werk afhankelijk van waterstof. Nu laten Fisher en Radzihovsky zien dat kwantumononderscheidbaarheid een significante invloed moet hebben op dit proces.

Het testen van deze voorspelling zal lastig zijn. De voor de hand liggende manier is om het resultaat te meten van dezelfde reactie die wordt uitgevoerd met ortho- en para-versies van de moleculen. Maar dit is makkelijker gezegd dan gedaan. Ortho- en para-versies van hetzelfde molecuul zijn moeilijk te scheiden. Chemici bereikten het pas in 2014 voor het eerst voor water.

Het chemische gedrag van water en waterstof is nog maar het begin. Fisher en Radzihovsky geven talloze voorbeelden van andere chemische processen die ook beïnvloed zouden moeten worden door kwantumononderscheidbaarheid. Deze omvatten isotopenfractionering waarvoor kwantumononderscheidbaarheid een nieuw mechanisme biedt, het fenomeen verklaart ook de verhoogde chemische activiteit van reactieve zuurstofsoorten en biedt een manier voor de spins van kernen om biochemische moleculen in het algemeen te beïnvloeden.

Er is een rijke schat aan exotisch gedrag om hier te bestuderen. Het testen van deze ideeën zal moeilijk zijn, maar de beloningen - een beter begrip van enkele van de meest subtiele en belangrijke biologische fenomenen van de chemie - zullen een substantiële motivatie opleveren. Verwacht meer te horen.

Referentie: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kwantumononderscheidbaarheid in chemische reacties

zich verstoppen