量子隧道是一種奇特的現象，微小粒子能夠穿越它們在理論上無法克服的障礙。這就像一個人走向一扇鎖著的門，卻不需要打開它，便突然出現在另一側。
迄今為止，這一現象主要在最小的粒子上觀察到，如電子、輕原子（例如氫）以及偶爾的氧和氮。然而，最新研究顯示，在適當條件下，氟原子也能夠隧道。
這一新發現不僅打破了長期以來對氟這種重原子不應隧道的信念，還可能改變我們對化學反應的理解，以及在涉及氟的材料和藥物開發方面的應用。
研究團隊在十多年前開始研究氟在與過渡金屬結合時的行為。他們使用激光將金屬和氟原子一起轟擊，然後將產生的化合物困在冷卻至 -270°C 的冷氖氣矩陣中。
這使他們能夠將分子凍結在特定位置，並使用紅外光譜技術進行研究，該技術能揭示分子的結構和運動細節。然而，他們發現了一些奇怪的現象。
他們檢測到的一個紅外信號並不符合任何已知的金屬氟化合物。事實上，它似乎根本沒有金屬。在經過多年的實驗後，他們意識到自己正在觀察一種僅由氟原子組成的異常分子，具體來說是一種帶有五個氟原子的負離子，稱為 F₅⁻。
通常，氟原子具有強烈的電負性和反應性，將五個氟原子擠入一個離子中應該會使其崩潰，但這個離子在氖矩陣中卻神秘地保持穩定。
這僅僅是開始。研究團隊還注意到一個奇特的現象：F₅⁻ 離子的紅外信號是分裂的，彷彿該分子在兩種形式之間切換。
為了弄清楚原因，研究作者進行了詳細的量子力學模擬。這些模擬表明，中心的氟原子並沒有固定在一個位置，而是在分子中來回隧道。在經典物理學中，這需要原子克服能量障礙，而氟的質量使其無法做到這一點。
然而，隧道效應使其能夠完全繞過這一障礙。這種行為在輕原子中曾經觀察到過，而氟被認為太重，但實驗和模擬結果完全一致，證明在適當條件下，氟的量子隧道現象不僅可能，而且是可觀察的。
這一發現為量子化學開啟了新的一章。它表明，隧道效應不僅僅是輕原子的特徵；在高能環境中，這一現象可能比我們想像的更為普遍，尤其是在像 F₅⁻ 離子這樣緊密包裝的分子中。
這可能幫助科學家更好地理解某些氟化合物的行為，這在藥物開發到電池技術等各個領域都具有重要意義。例如，氟化基團被用於藥物中以提高其在體內的吸收效率，並在電池中提高效率。
此外，這還可能對理解和控制有害化合物如 PFAS 產生影響，PFAS 是一類富含氟的化學物質，以污染水源和抗分解而聞名。如果科學家能夠學會如何影響隧道行為，可能會找到新方法來分解這些持久污染物，或製造出既有效又安全的新型氟基材料。
“這些發現不僅擴展了我們對氟化合物中化學鍵的理解，還為我們提供了新的工具，以有針對性地控制分子反應，無論是在材料研究、醫學還是設計新技術方面，”該研究的第一作者、來自柏林自由大學的研究員 Dr. Carsten Müller 說。
該研究發表在《Nature Communications》期刊上。
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