A Nature lapcsalád rangos Nature Communications folyóiratában jelent meg publikációja Dr. Czakó Gábor egyetemi docensnek, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoport vezetőjének és Dr. Papp Dóra egyetemi adjunktusnak, a csoport volt tagjának. A cikkben az Innsbrucki Egyetem és a kínai Huazhong Egyetem kutatóival együttműködve számítógépes szimulációval mutatták be, hogy egy kémiai reakció dinamikájában játszik szerepet a kvantumos alagúthatás, ha a reakcióban könnyű hidrogénezőp vesz részt. https://www.nature.com/articles/s41467-025-57086-0
Dr. Czakó Gábor és Dr. Papp Dóra nemzetközi együttműködésben született új publikációja a Nature Communications folyóiratban a kvantumos alagúteffektus hatásával magyarázza meg azt a kísérleti jelenséget, hogy egy kémiai reakció dinamikája különbözik a résztvevő vevő hidrogén izotópjától függően.
A szegedi által megmagyarázott kísérleti kutató jelenségre Dr. Czakó Gábor kutatócsoportjának régi partnere, Dr. Roland Wester (Innsbrucki Egyetem) figyelt fel. Az adatokat számos korábbi esethez hasonlóan azért küldte el Czakó Gáborhoz, a szegedi csoport fejlesztése azt az egyedülálló potenciálisenergia-felület modellt, amellyel a kémiai reakciók klasszikus atomi és molekuláris szintű szimulációit lehet meghatározni. A számítógépes szimulációk során Dr. Papp Dóra, az SZTE kutatócsoportjának akkor posztdoktor tagja, ma az egyetem adjunktusa, azt tapasztalta, hogy a hidrogén deutérium izotópja esetén az eredmények egyeznek a klasszikus úton várt kimenetellel, míg a könnyű hidrogénizotóp esetén eltérnek attól. Gyanújuk arra terelődött, hogy ez utóbbi reakció dinamikáját egy kvantumos hatás, az alagúteffektus módosítja. A jelenség kvantumdinamikai szimulációja érdekében Dr. Czakó Gábor bevonta a kutatási programba a wuhani Huazhong Egyetem elméleti kémiai csoportját.
Dr. Papp Dóra és Dr. Czakó Gábor reakciódinamikai kutatócsoportban fejlődik, több mint tíz éves múltú szoftverrel végezték el a klasszikus dinamikai szimulációkat. Az ilyen számításoknál eddig rendszerint az jött ki, hogy jól egyeznek a kísérleti eredményekkel. A nehézt tartalmazó metil-jodid reaktáns hidrogén is így történt. A könnyű hidrogénes metil-jodidnál jelentkező dinamikai izotópeffektust azonban nem írta le jól a klasszikus fizikára alapuló modellt.
– Következtünk arra, hogy itt egy kvantummechanikai jelenséget kell figyelembe venni – mondta Dr. Czakó Gábor. – Bevontuk a kínai kollégákat, ők elkészítették az atommagok mozgásának egy bizonyos szempontból egyszerűbb modellen alapuló, de mechanikai leírását. Végül a kvantumos és klasszikus szimulációt összevetve az alagúthatással tudtuk megmagyarázni a jelenséget. Ez azt jelenti, hogy az atomok képesek átmenni egy energiagát alatt, vagyis a reakció olyan úton is végbe tud menni, ahogyan a klasszikus mechanika nem engedné meg. Minél könnyebbek az atommagok, annál inkább viselkednek kvantumosan. A deutérium kétszer nehezebb, mint a könnyű hidrogén, és ez már nagyban lecsökkenti az alagúteffektus jelentőségét.
A kvantumos jelenség kimutatásához szükség volt a kiegészítő kvantummechanikai modellre is, de az alapvető felismerés az SZTE Elméleti Reakciódinamika Kutatócsoportjának klasszikus szimulációs modelljéhez kapcsolódik.
– A kvantumos modell hátránya ugyanis az, hogy teljesíthetetlenül nagy számítási kapacitást igényel – hangsúlyozta Dr. Papp Dóra. – A kínai kollégák modellje ezért csak a reakció szempontjából nagyon fontos szabadsági fokokat tudta figyelembe venni. Nem írtak le minden reakciócsatornát, és jóval kevesebb adatot produkálni, nem alkalmasak például vizualizációra, azaz nem lehet egy reakciómechanizmust megjeleníteni a számítógép képernyőjén, csak az ő módszerüket alkalmazva. Például szórási szögelosztást sem tudnak számítani, mi viszont tudtunk a klasszikus modellel, és ezeken az adatokon látszott, hogy különbségek vannak a két izotóp reakciójában. Igen reakcióvalószínűséget és hatáskeresztmetszetet ők is tudtak számolni, amelyek összehasonlíthatóak voltak a mi eredményeinkkel, és ezekben is láttuk a különbségeket.
Dr. Papp Dóra szerint a jövőbeli kutatásokban érdemes lesz majd vizsgálni, hogy olyan helyeken is van-e kvantumos effektus, ahol elsőre nem számítanak rá. Dr. Czakó Gábor véli, az eredmény a kísérleti és elméleti szakma úgy is felhívja majd, ez ugyanis egy első lépés abba az irányba, hogy kvantumhatásokat azonosítsanak összetett kémiai reakciók dinamikájában.
Dr. Czakó Gábor és Dr. Papp Dóra nemcsak a Nature Communications-ben megjelent publikáció társszerzői, de házastársak is, éppen első gyermeküket várják.
(SZTE)
Fotó: SZTE/Kovács-Jerney Ádám
