摘要：化学家们一直以来都依赖于物理变化，例如热、冷、压力、光或额外的化学物质，来加速或减慢反应的进行。然而，如果只需改变反应所处的不可见量子场，就能在完全不接触的情况下控制它，那会怎样呢？

科学家揭示了一种有趣的量子效应，它可以让反应在没有热量、光或额外化学物质的情况下运行得更快或更慢。

化学家们一直以来都依赖于物理变化，例如热、冷、压力、光或额外的化学物质，来加速或减慢反应的进行。然而，如果只需改变反应所处的不可见量子场，就能在完全不接触的情况下控制它，那会怎样呢？

罗彻斯特大学的研究人员表示，这是可能的，并且他们现在已经对其发生的原因进行了详细的解释。他们的工作揭开了关于振动强耦合（VSC）效应的长期谜团，这种效应是指分子周围的空间，而不是分子本身，可以影响反应速度。

“我们的工作可能提供有史以来第一个描述实验观察到的现象的理论。它告诉我们，量子环境本身就能以我们意想不到的方式影响化学反应，并为新材料和新技术打开大门，”研究人员之一、罗彻斯特大学教授弗兰克·霍（Frank Huo）说道。

如果这种效应能够得到可靠利用，它将为化学家提供一种新的、节能的方法来塑造反应，从而为从药品制造到先进材料等各个行业带来潜在的利益。

发挥 VSC 的潜力

早在2016年，研究人员就发现了一些奇怪的现象。如果他们将反应分子放入两面镀金镜子之间极其微小的间隙中，两面镜子之间的距离仅为百万分之一米，反应的速度就会发生变化。

这种被称为光学微腔的窄带能够捕获并塑造电磁能，使其与分子的固有振动相互作用。即使温度和光保持不变，这些相互作用也可能以某种方式加速或减缓化学变化。

这令人惊讶，因为标准化学理论无法解释这种现象。科学家们知道VSC是真实存在的，因为它在实验中不断出现，但他们不知道为什么它有时出现，有时不出现，也不知道如何控制它。

过去五年来，霍建军和他的团队一直在努力寻找这些问题的答案。他们将量子力学与大规模计算机模拟相结合，创建了一个关于VSC工作原理的新模型。

他们的研究解释道，当振动耦合发生时，分子振动和光场的某些组合会导致强耦合。这会改变反应速度，因为这种相互作用改变了能量在分子及其周围环境之间的移动方式。

该研究进一步表明，可以通过调节微腔中的耦合强度来控制VSC，从而“控制”更快或更慢的反应速率。他们的方法不是直接改变化学反应，而是改变能量环境，就像调节房间的声学环境来改变音乐的播放效果一样。

“这种VSC的新策略可以选择性地减慢或加快反应速度，为合成化学带来范式转变，可能对药物开发和材料合成产生重大影响，”霍教授说道。

清洁量子化学的新时代

无需增加热量、压力或额外试剂即可加速有用反应或减缓浪费反应，从而带来多种益处。

例如，它可以大幅降低工厂的能源消耗，使药品生产更加精确，降低化学制造成本，并减少工业过程对环境的影响。

然而，这种效应迄今为止仅在严格控制的实验室条件下得到证实，扩大其应用规模仍需进一步研究。

尽管如此，罗切斯特团队的新理论为VSC的运作条件及其控制方法提供了详细的蓝图。从长远来看，这些见解不仅可以帮助化学家在分子层面设计反应，还可以帮助他们在量子环境层面设计反应。

该研究发表在《美国化学会志》上。

来源：小郭的科学讲堂