Hvordan kvantefysikk er i ferd med å revolusjonere biokjemi

En av de merkelige konsekvensene av kvantemekanikk er fenomenet umulig å skille - at to kvantepartikler kan være umulig å skille fra hverandre, selv i prinsippet. Dette skjer delvis fordi det er umulig å bestemme den nøyaktige posisjonen til kvantepartikler. Så når to partikler samhandler på samme sted, er det ingen måte å vite hvilken som er hvilken.

Det gir opphav til noe eksotisk oppførsel, spesielt ved lave temperaturer når et stort antall partikler kan oppføre seg på samme måte. Utskilleligheten til fotoner gjør lasere mulig, utskilleligheten til helium-4-kjerner ved lav temperatur fører til superfluiditet og utskilleligheten til andre kjerner som rubidium fører til Bose-Einstein-kondensater. Ugjenkjennelig er rik på mystiske fenomener.

Men noen kvantepartikler er ikke umulig å skille på denne måten. Elektroner, for eksempel, er forbudt å dele den samme staten ved en lov kjent som Pauli-eksklusjonsprinsippet. Og det fører til en annen type fysikk. Samspillet mellom elektroner, styrt av dette Pauli-ekskluderingsprinsippet, kalles kjemi, og det er like rikt på eksotisk oppførsel.

Verdener av kjemi og utskillelig fysikk har lenge vært ansett som helt separate. Utskillelighet forekommer vanligvis ved lave temperaturer mens kjemi krever relativt høye temperaturer der objekter har en tendens til å miste sine kvanteegenskaper. Som et resultat har kjemikere lenge følt seg sikre på å ignorere effektene av kvanteutskillelighet.

I dag sier Matthew Fisher og Leo Radzihovsky ved University of California, Santa Barbara, at denne tilliten er feilplassert. De viser for første gang at kvanteutskillelighet må spille en betydelig rolle i enkelte kjemiske prosesser selv ved vanlige temperaturer. Og de sier at denne påvirkningen fører til et helt nytt kjemisk fenomen, som isotopseparasjon og kan også forklare et tidligere mystisk fenomen som den økte kjemiske aktiviteten til reaktive oksygenarter.

Relatert historie

Relatert historie Forskere i Kina har teleportert et foton fra bakken til en satellitt som kretser mer enn 500 kilometer over.

Kort sagt, Fisher og Radzihovsky snur kjemien på hodet.

Nøkkelspørsmålet bak denne nye tenkningen er om kvanteegenskaper virkelig kan ignoreres i de fleste kjemiske reaksjoner. Fisher og Radzihovsky sier at selv om det kan være generelt sant at kvanteegenskaper går tapt ved høye temperaturer, varer visse kvantefenomener.

De peker spesielt på kvantekoherensen til atomkjerner. Fysikere har lenge visst at spinnene til kjernene kan forbli sammenhengende over tidsskalaer på minutter eller timer. Faktisk utnytter de dette fenomenet i et bredt spekter av kvanteberegningseksperimenter som er avhengige av kjernefysiske spinn for å lagre kvanteinformasjon.

Det er lett å tenke at kjernefysiske spinn ikke har noen signifikant effekt på måten elektroner interagerer med hverandre i kjemiske reaksjoner.

Men det er ikke tilfelle, sier Fisher og Radzihovsky. Atomspinn kan lett bli koblet til andre fysiske tilstander, for eksempel måten et molekyl vibrerer på. Når dette skjer, lekker egenskapene til utskillelighet som normalt er begrenset til kjerner ut og påvirker molekylet som helhet.

Fisher og Radzihovsky sier dette har en spesielt sterk effekt på små symmetriske molekyler, som vann eller hydrogen. Årsaken er at når spinnene til to kjerner samhandler, tilsier symmetri at de kan ta på seg visse konfigurasjoner, men ikke andre.

Når den symmetrien lekker inn i den kjemiske verden, betyr det at molekylet bare kan samhandle i situasjoner med lignende spinnsymmetri.

For eksempel inneholder et hydrogen- eller vannmolekyl to hydrogenkjerner som enten kan spinne i samme retning, i hvilket tilfelle molekylet er kjent som orto-vann, eller i motsatte retninger, i hvilket tilfelle molekylet er kjent som para-vann. Disse forskjellige arrangementene av det samme molekylet er kjent som spin-isomerer.

Det har implikasjoner for måten molekyler interagerer med hverandre på. I mange kjemiske reaksjoner er måten molekyler låses sammen på viktig. Hvis molekylene ikke kan passe sammen som en nøkkel i en lås, kan reaksjonen ikke skje.

Relatert historie

Relatert historie Søkegiganten planlegger å nå en milepæl i datahistorien før året er ute.

Fisher og Radzihovsky viser at kvanteutskillelighet påvirker måten molekyler passer sammen fordi det forhindrer interaksjoner som ikke samsvarer med symmetrien til kjernene.

Forskerne fortsetter med å vise at denne effekten får paramolekyler til å være betydelig mer reaktive enn ortomolekyler, fordi deres symmetri samsvarer med et bredere spekter av andre molekyler.

Et område hvor dette kan spille en viktig rolle er i enzymatisk katalyse. Mange enzymer er avhengige av hydrogen for å gjøre arbeidet sitt. Nå viser Fisher og Radzihovsky at kvanteutskillelighet må ha en betydelig innflytelse på denne prosessen.

Det vil være vanskelig å teste denne spådommen. Den åpenbare måten er å måle utfallet av den samme reaksjonen utført med orto- og para-versjoner av molekylene. Men dette er lettere sagt enn gjort. Orto- og para-versjoner av det samme molekylet er vanskelig å skille. Kjemikere oppnådde det for vann for første gang først i 2014.

Den kjemiske oppførselen til vann og hydrogen er bare begynnelsen. Fisher og Radzihovsky gir en rekke eksempler på andre kjemiske prosesser som også bør påvirkes av kvanteutskillelighet. Disse inkluderer isotopfraksjonering som kvanteutskillelighet gir en ny mekanisme, fenomenet forklarer også den økte kjemiske aktiviteten til reaktive oksygenarter og gir en måte for spinn av kjerner å påvirke biokjemiske molekyler generelt.

Det er et rikt utvalg av eksotisk oppførsel å studere her. Å teste disse ideene vil være vanskelig, men belønningene - en bedre forståelse av noen av kjemiens mest subtile og viktige biologiske fenomener - vil gi betydelig motivasjon. Forvent å høre mer.

Ref: arxiv.org/abs/1707.05320 : Kvanteutskillelighet i kjemiske reaksjoner

gjemme seg