化學家長期以來依賴物理變化，例如熱、冷、壓力、光或額外的化學物質，來加快或減慢反應速度。然而，假如可以不直接接觸反應，而僅僅通過改變反應所在的隱形量子環境來控制反應，這將會是怎樣的情況？來自羅切斯特大學的研究人員表示，這一切是可能的，他們目前已經詳細解釋了這一過程的運作方式。他們的研究解開了一個長期以來的謎題，該謎題涉及一種稱為振動強耦合（VSC）的效應，該效應表明，分子周圍的空間而非分子本身，能夠影響反應速度。
研究人員之一、羅切斯特大學的教授Frank Huo表示：「我們的研究可能提供了首個描述實驗觀察現象的理論，這告訴我們量子環境本身可以以我們之前認為不可能的方式影響化學，並為新材料和技術開啟了大門。」如果這種效應能夠可靠地利用，將會為化學家提供一種新的節能方式來塑造反應，並可能為藥品生產到先進材料等各個行業帶來潛在的好處。
回顧2016年，研究人員注意到了一個奇怪的現象。他們將反應分子放置在兩面金屬鏡子之間非常狹窄的空隙中，這個空隙僅有幾百萬分之一米的距離，結果反應的速度發生了變化。這個狹窄的空隙被稱為光學微腔，能夠以一種與分子的自然振動互動的方式來捕捉和塑造電磁能量。這些互動在某種程度上能夠加快或減慢化學變化的速度，即使溫度和光線保持不變。
這一現象讓人感到驚訝，因為標準化學理論無法解釋這一現象。科學家們知道VSC是真實存在的，因為它在實驗中不斷顯現，但他們不明白為什麼有時會出現，有時又不出現，或如何控制它。過去五年中，Huo和他的團隊一直在尋找這些問題的答案。他們結合量子力學和大規模計算機模擬，創建了一個新的VSC運作模型。
他們的研究解釋了當VSC發生時，特定的分子振動和光場的組合使得強耦合得以實現。這一過程改變了反應速度，因為這種相互作用改變了分子與其周圍環境之間能量的移動方式。研究進一步表明，通過調整微腔中的耦合強度，可以「調整」反應速率，使其加快或減慢。這種方法並不直接改變化學，而是改變能量環境，類似於調整房間的音響效果以改變音樂的聽感。
有能力在不添加熱量、壓力或額外試劑的情況下加快有用反應或減慢浪費反應，將會帶來多方面的好處。例如，這可以大幅減少工廠的能耗，讓藥品生產更加精確，降低化學製造成本，並減少工業過程對環境的影響。然而，這一效應迄今為止僅在精確控制的實驗室條件下得到證明，將其擴展至更大規模需要進一步的研究。
儘管如此，羅切斯特團隊的新理論提供了VSC運作所需條件的詳細藍圖以及如何控制它。從長遠來看，這些見解可能幫助化學家在分子層面以及量子環境層面設計反應。該研究發表於《美國化學學會期刊》。
