罗切斯特的科学家已经为一项可能改变化学基本规则的多机构研究工作获得了国家资助。
得益于美国国家科学基金会 (NSF) 的180 万美元赠款，罗切斯特大学化学家托德克劳斯将领导多机构努力改变化学领域。化学家早就了解他们可以使用的工具来创造新分子，例如改变反应温度或使用催化剂——或两者兼而有之。现在，克劳斯和他的研究人员希望利用光来促进以前不可能发生的化学反应——本质上是通过将光转化为催化剂。
“这是一个高风险的提议，”罗切斯特大学化学和光学教授克劳斯说。“我们能否获得足够多的分子与光强相互作用以产生影响?如果我们这样做，这可能是化学领域的范式转变。”
应用于化学的量子原理
根据处理原子和亚原子粒子基本性质的量子科学原理，光是由小的、离散的能量包组成的。Krauss 的项目要求将分子放入光学腔中，并使用这些离散的数据包来改变分子中电子的能量状态。完成后，分子的行为会有所不同，为新的键合可能性打开了大门，从而产生了新的化学反应。
分子通过化学键形成——共享轨道电子。通过改变温度或引入催化剂，化学家可以操纵电子如何或是否共享。这些交互遵循基本规则。例如，碳-氯键比碳-氢键更容易断裂。在这里，该团队旨在利用量子原理的应用来改变这些基本规则，以允许不同的键断裂和重组。
克劳斯希望改变电子的空间特性，从而改变分子结合的方式。
“我们有可能将电子从一个分子向上移动到另一个分子——这在传统上是被禁止的，”克劳斯说。“大多数电子都有球形轨道。如果我们可以将其中一些电子移动到非球形轨道中，它们的行为就会有所不同。这样做将使我们能够创造新的分子。”
寻求更好的药物、更绿色的能源、新材料
根据克劳斯的说法，这项工作代表了一种开发化学反应的新方法——它对社会有许多潜在的好处。“理论上，这可能会导致燃料生产、制药和塑料制造方面的新应用，”他说。
罗切斯特大学在强耦合光和原子方面有着悠久的量子科学传统——几十年来定义了量子光学领域——可以追溯到五十多年前伦纳德·曼德尔和埃米尔·沃尔夫的开创性工作。在 QuEST 中，该团队将通过探索如何将光与分子强耦合以操纵化学反应，将量子光学推向新的未知领域，从而延续这一传统。
根据拨款条款，Krauss 将指导 NSF 第一阶段化学选择性转化量子电动力学创新中心 (QuEST)。探秘研究团队包括罗切斯特大学的研究员化学教授鹏飞霍和威廉·琼斯，以及光学教授尼克Vamivakas。加入他们的还有北卡罗来纳大学教堂山分校的 Jillian Dempsey、德克萨斯大学圣安东尼奥分校的 Nicolas Large 和 Zachary Tonzetich、西北大学的 Teri Odom 和威斯康星大学麦迪逊分校的 Daniel Weix。
“这是一项为期三年的种子基金，”克劳斯解释说。“几年后，我们将争夺第二阶段的拨款——四年内 2000 万美元——以继续研究。”
