A cikkben az Innsbrucki Egyetem és a kínai Huazhong Egyetem kutatóival együttműködve számítógépes szimulációval mutatták ki, hogy egy kémiai reakció dinamikájában szerepet játszik a kvantumos alagúthatás, ha a reakcióban könnyű hidrogénizotóp 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 különbözhet a részt vevő hidrogén izotópjától függően.
A szegedi kutatók által megmagyarázott kísérleti 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, mert a szegedi csoport fejlesztette azt az egyedülálló potenciálisenergia-felület modellt, amellyel kémiai reakciók klasszikus atomi és molekuláris szintű szimulációit lehet elvégezni.
A számítógépes szimulációk során Dr. Papp Dóra, az SZTE kutatócsoportjának akkor még 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 a reakciódinamikai kutatócsoportban fejlesztett, 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 nehézhidrogént tartalmazó metil-jodid reaktánssal ezúttal is így történt. A könnyű hidrogénes metil-jodidnál jelentkező dinamikai izotópeffektust azonban nem írta le jól a klasszikus fizikára alapuló modell.
Ebből következtettünk arra, hogy itt valószínűleg egy kvantummechanikai jelenséget kell figyelembe vennünk – mondta Dr. Czakó Gábor.
Bevontuk a kínai kollégákat, ők elkészítették az atommagok mozgásának egy bizonyos szempontból egyszerűbb modellen alapuló, de kvantummechanikai 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 tudtak produkálni, amelyek nem alkalmasak például vizualizációra, azaz nem lehet egy reakciómechanizmust megjeleníteni a számítógép képernyőjén kizárólag 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. Ugyanakkor 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 számítanának rá. Dr. Czakó Gábor úgy véli, az eredmény a kísérleti és elméleti szakma figyelmét 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, és éppen első gyermeküket várják.
