Разорвать связь почти без энергии? Квантовый вакуум шепчет молекуле: "Сдавайся"

Идея разорвать химическую связь, затратив на это меньше энергии, чем содержание самой связи, звучит как насмешка над вторым законом термодинамики. Тем не менее, группа чилийских физиков из Университета Сантьяго доказала, что в мире квантовой механики возможны и не такие чудеса, если правильно использовать само понятие пустоты.

В классическом понимании вакуум — это отсутствие всего, звенящая пустота. Однако на квантовом уровне пустота кипит: виртуальные частицы и поля постоянно рождаются и исчезают, создавая флуктуации электромагнитного поля. Обычно эти флуктуации настолько слабы, что мы их не замечаем. Но если поместить молекулу в крошечный резонатор, пространство, которое по размеру сопоставимо с длиной волны света, эти флуктуации можно многократно усилить и заставить работать на себя.

Физики провели моделирование того, как молекула ведет себя, будучи запертой в таком нанорезонаторе. В тесных условиях свет и вещество начинают обмениваться энергией так интенсивно, что меняется сама форма колебаний атомов в молекуле. Оказалось, что при определенных параметрах резонатора квантовые флуктуации вакуума «раскачивают» молекулу, деформируя её потенциальную поверхность. Связь не рвется сама по себе, но переходит в состояние, где её удерживающий барьер становится значительно ниже.

После того как вакуум подготовил молекулу к разрыву, внешнему инфракрасному лазеру остается лишь подтолкнуть её минимальным импульсом. Именно в этом и заключается ключевое открытие: затраты энергии на диссоциацию снижаются не из-за дополнительного нагрева или катализатора, а из-за того, что сама молекула оказывается в «ослабленном» состоянии благодаря взаимодействию с пустотой. Моделирование показало, что лазеру требуется заметно меньшая мощность, чем в стандартных условиях.

Два с половиной года численных расчетов на вычислительных кластерах привели к чисто теоретическому результату. Опытные образцы нанорезонаторов, в которые можно помещать одиночные молекулы, уже существуют — это, например, структуры из золотых наночастиц или щели между слоями двумерных материалов. Однако перевести этот механизм в стабильную инженерную технологию пока что задача следующего десятилетия.

Если удастся заставить вакуум работать на химию, это перевернёт многие промышленные процессы. Наиболее очевидное применение — электрохимическое улавливание углекислого газа и электролиз воды. Снижение энергопотребления даже на несколько процентов в глобальном масштабе означает миллиарды сэкономленных долларов и сокращение выбросов на этапе производства. При этом сам принцип «квантового катализа» может быть применим к десяткам реакций, не требуя токсичных или редких реагентов.

Любопытно, что подобные эффекты уже давно предсказывались теоретиками в контексте квантовой электродинамики полостей. Но чаще всего обсуждалось усиление спонтанного излучения или изменение скорости фотохимических реакций. Здесь же впервые столь детально исследована роль именно флуктуаций вакуума как активного инструмента, способного изменять прочность связи без внешнего излучения. Это подводит к мысли, что мы всерьез недооцениваем влияние окружающего квантового поля на поведение вещества.

Интересно, что если технологию удастся отшлифовать, то в перспективе можно будет не только разрывать связи с меньшими затратами, но и ослаблять или, наоборот, укреплять их выборочно. Появится инструмент для дистанционного управления маршрутами химических реакций с беспрецедентной точностью. Возможно, через пару десятилетий такие «квантовые реакторы» станут такой же обыденностью, как сегодняшние пробирки, а наше нынешнее представление об обязательных энергозатратах на разрыв связи покажется примитивным.