Określono teoretyczne widmo spektralne protonowanego metanu

Protonowany metan/Wikipedia

Protonowany metan CH5+ jest niezwykłą cząsteczką, która frapuje chemików, fizyków i astronomów. Uważają oni, że metan z dodatkowym protonem może być obecny w przestrzeni międzygwiezdnej, tam gdzie tworzą się gwiazdy i planety.

Gdy naukowcy chcą zidentyfikować cząsteczkę na naszej planecie lub w przestrzeni kosmicznej rejestrują oni zwykle ilość zaabsorbowanego w formie światła promieniowania elektromagnetycznego. Oparte jest to na fakcie, że każda cząsteczka ma swoje unikalne widmo. Cząsteczka CH5+ składa się z centralnie umieszczonego atomu węgla otoczonego pięcioma atomami wodoru stale krążących wokół niego, co utrudnia interpretację widma cząsteczki.
Naukowcy z kanadyjskiego Queens University po raz pierwszy określili teoretyczną budowę protonowanego metanu. Dotychczas nikt nie był w stanie zrozumieć widma CH5+. Specjaliści od spektroskopii zwykle próbują uporządkować rotacyjno-wibracyjne poziomy w odpowiednie grupy, z których każda powiązana jest z jakimś stanem wibracyjnym, ale to podejście nie sprawdza się w przypadku tego związku – twierdzi Tucker Carrington z Queens University. W 2015 roku Asvany, Yamada i Shlemmer wraz ze współpracownikami z Uniwersytetu w Kolonii (Niemcy) po raz pierwszy zaobserwowali i określili różnice w poziomach energii CH5+ co otworzyło możliwość porównania eksperymentu z teoretycznymi rozważaniami.

Aby lepiej zrozumieć ruch cząsteczki zwykle najpierw rozdziela się szacunkowo wibracje oraz rotacje, a później określa się niewielki amplitudy wibracji w pobliżu równowagowego kształtu cząsteczki. Wibracje i rotacje są nierozdzielne w CH5+ ponieważ jest aż 120 nisko położonych równoważnych struktur równowagowych i amplituda wibracji jest stosunkowo duża. Obliczenie i analiza spektrum CH5+ jest bardzo trudnym zadaniem. Koniczne do tego jest numeryczne rozwiązanie równania Schrodingera z bardzo dużą liczbą macierzy hamiltonianu. Jest to bardzo trudne – rozmiar macierzy to aż 10^9, dlatego kanadyjscy naukowcy zastosowali algorytm Lanczos'a. Wyniki tych obliczeń są jeszcze dalekie od docelowych, ale jak twierdzi Carrington stanowią dobry początek do dalszych badań. Jeszcze rok temu większość naukowców zajmujących się protonowanym metanem uważało, że uda się zbliżyć z obliczeniami teoretycznymi do wartości eksperymentalnych. Prace naukowców z Kanady pozwoliły na zmniejszenie błędów w widmie z 30 cm-1 do 2 cm-1.

Sukces obliczeń wykonanych przez naukowców pozwala na interpretację i zrozumienie rotacyjno-wibracyjnych widm zarejestrowanych w eksperymentach kilku innych grup naukowych. Przykładowo CH5+ gra kluczową rolę w chemii „super kwasów" George'a Olah'a – zdobywcy Nagrody Nobla z 1994 r.
(pj)