量子物理学控制化学反应的新途径

控制化学反应以产生新产品是化学中最大的挑战之一。该领域的发展对工业产生了影响，例如，通过减少建筑材料制造过程中产生的废物或通过改进催化剂的生产来加速化学反应。

出于这个原因，在使用化学和量子光学工具的极化子化学领域，在过去十年中，世界各地的不同实验室在光腔中开发了实验，以利用电磁场在室温下操纵分子的化学反应性. 一些已经成功地修改了有机化合物中的化学反应产物，但迄今为止，在过去两年没有相关进展的情况下，没有研究团队能够提出一个通用的物理机制来描述这种现象并将其重现以获得以一致的方式进行相同的测量。

现在，由首席研究员 Felipe Herrera 领导的千年光学研究所(MIRO ) 的圣地亚哥大学(智利)和海军研究实验室化学部实验室的一组研究人员，()，由研究员布莱克·辛普金斯 (Blake Simpkins) 领导，首次报道了对红外腔内溶液中氨基甲酸酯分子形成速率的操纵。

该发现于 2023 年 6 月 16 日发表在《科学》杂志的化学部分，并首次从理论上和实验上证明，可以在室温下选择性地改变化学反应中某些键的反应性在液体溶剂中，通过电磁场真空在红外频率的窄范围内的影响。研究员 Felipe Herrera 说：“与其他模型相比，这一理论发现提高了我们对该现象的基本理解，这些模型仅解释了实验观察的部分方面，或者只是完全反驳了实验证据。”

分子操纵的新科学范围

为什么控制化学反应如此困难?当发生化学反应时，将分子中的原子结合在一起的键断裂并重新排列，形成称为产物的新物质。这个过程的发生通常需要能量，十九世纪的一些物理化学原理帮助我们理解了这些能量转移是如何根据热力学定律发生的。

还有基于分子结构的反应性原理，如艾林、埃文斯和波兰尼于 1935 年提出的原理，广泛应用于化学的各个领域。这些基本原理意味着两个分子之间的每个反应都独立于溶液中可能发生的其他化学反应。“这在八十多年研究的几乎所有情况下都是非常有效的，但是电磁真空在空腔体积内发生的不同化学反应之间产生了相关性，而电磁场产生的这些相关性原则上使传统的化学反应性的假设值得怀疑，”Felipe Herrera 解释道。

“这项研究的实验贡献是通过与空腔内电磁场的真空相互作用，使用经过充分研究的化学反应，确认了反应速率的改变，并且比其他研究发现的变化更显着类型的反应。在理论部分，贡献在于通过改变主要参与反应的化学键的动力学，通过红外真空，可以控制产物”，博士后 Johan Triana 补充道MIRO 和圣地亚哥大学的研究员，参与了数学模型的创建和分子系统描述的数值计算。

再现和解释测量

这项研究始于 2020 年，当时海军研究实验室的博士后研究员、现任比尔肯大学教授的 Wonmi Ahn 博士进行了第一次实验。

2021 年，Blake Simpkins 准备了新样品以确保测量结果的可重复性，并改进了发生化学反应的液体细胞。

同年年中，研究员 Felipe Herrera 开始与 Simpkins 定期会面，调查可能的理论答案以支持所获得的结果。“我们决定从头开始，建立一个理论，将量子光学的所有物理方面都考虑在内，但在特定条件下，它会简化为理论化学的标准反应性理论，”USACH 教授 Felipe Herrera 解释说。

该过程的结果是 Simpkins(海军研究实验室)和 Herrera(MIRO，智利圣地亚哥大学)领导的出版物“通过红外腔中的光物质相干性改变基态化学反应性”，参与方研究员 Wonmi Ahn(土耳其比尔肯特大学)、研究员 Johan Triana 和博士生 Felipe Recabal，他们都是USACH MIRO分子量子技术小组的成员。

第一项工作开启了新的可能性和科学挑战，Herrera 博士解释说：“我们需要开发一个足够简单和通用的理论和数学框架，世界上任何研究人员都可以使用它来解释他们的实验，并希望设计出新的测量类型，而不是人们还没有看到。”

从这个意义上说，埃雷拉反思了他作为一名跨越物理和化学的科学家的雄心：“建立一个统一的理论，统一现代科学中两个最成功的学科：化学动力学和量子物理学，这将是一件好事。”