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 kutatócsoport volt tagjának. 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.

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.

- A szimulációban a fluorid ion és a metil-jodid reakcióját vizsgáltuk. Utóbbinál egy szénatomhoz a jódatom mellett három hidrogénatom kapcsolódik, ezért itt izotóphelyettesítést lehet végezni. Az eredeti kísérletet az innsbrucki kutatók elvégezték a könnyű hidrogénnek nevezett, egyetlen protont tartalmazó izotóppal, majd a neutront is tartalmazó deutérium izotóppal is. Az eredményekből érdekes, kevéssé ismert, a dinamikát befolyásoló izotópeffektus volt kimutatható. Az izotópeffektusok kinetikus típusa már régóta ismert; ebben az esetben az izotóphelyettesítés a reakció sebességét változtathatja meg. A mi kutatásunk újdonsága az, hogy a reakció dinamikáját is vizsgáltuk, vagyis azt, hogy atomi szinten hogyan játszódik le egy ilyen reakció. A jól ismert kinetikus izotópeffektus után így egy úgynevezett dinamikai izotópeffektust találtunk. Ez a hatás abban jelentkezik, hogy a termékek milyen irányba szóródnak a reakció során. Az jött ki, hogy amennyiben könnyű hidrogén van a metil-jodidban, akkor van egy előreszórási preferencia, ami a nehéz hidrogén, azaz a deutériumos reaktáns esetén nem jelentkezik – fejtette ki Dr. Czakó Gábor.

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 szerint 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.

- Várható, hogy a jövőben is lesznek hasonló megfigyelések, egyre komplexebb rendszerekkel foglalkoznak majd a kutatók, és ebben építhetnek a mi eredményünkre. Az elméleti kutatókat ösztönözheti, hogy olyan módszereket fejlesszenek, amelyek figyelembe tudják venni a kvantummechanikai effektusokat. Részben a mi második Lendület pályázatunkat is ez a kutatás motiválta. Azt gondoljuk, hogy a könnyű hidrogén általunk megfigyelt dinamikai izotópeffektusa nem egyedi eset, hanem a jövőben egyre több ilyen kísérletben jönnek majd elő kvantummechanikával magyarázható jelenségek, és kellenek majd a megfelelő módszerek a szimuláláshoz.

Dr. Czakó Gáborral korábban abból az alkalomból beszélgettünk, hogy elméleti kémiai szimulációs kutatásaira 2022-ben megkapta az SZTE „Év publikációja” díját, valamint 2024-ben másodjára is elnyerte az MTA Lendület pályázatát.

Papp Dóra így mesélt induló kutatói pályájáról:

- Úgy kezdtem az egyetemet, hogy biokémikus akartam lenni. De már az első héten volt egy előadás, amelyben a hullámfüggvényről és a Schrödinger-egyenletről volt szó. Engem pedig teljesen elvarázsolt ez a világ, és innentől kezdve végig elméleti kémiával foglalkoztam. MSc témám fehérjék kvantumkémiai modellezése volt, aztán a PhD-mat egy rezgési-forgási spektrumok kvantumos számítására alkalmas módszerfejlesztésből írtam az ELTE-n. Posztdoktorként 2018-ban jöttem ide Szegedre, ahol 2024-ig Gábor kutatócsoportjában dolgoztam és elsősorban gázfázisú reakciódinamikával foglalkoztam. Időközben szintén posztdoktorként az Új-Mexikó Egyetemen töltöttem egy rövidebb időszakot. Tavaly óta pedig a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének egyetemi adjunktusaként a határfelületeken lejátszódó reakciók dinamikájának számítógépes modellezése a saját kutatási területem; erre nyertem is NKFIH Starting kutatási pályázatot.

Dr. Czakó Gábor és Dr. Papp Dóra nemcsak a Nature Communications-ben megjelent publikáció társszerzői, de házastársak is, és éppen első gyermeküket várják.

Forrás: u-szeged.hu