Chimia cuantica – origine, evolutie, tendinte

Chimia cuantica este o ramura a chimiei teoretice, in care legile mecanicii cuantice se aplica sistemelor moleculare, in scopul studierii proceselor si proprietatilor chimice ale substantelor. Aceasta stiinta moderna (pentru s-a nascut in secolul al XX-lea) a furnizat concepte cruciale pentru intelegerea fenomenelor la scara moleculara, ajutandu-i pe specialisti sa deschida noi drumuri in cercetare.

Istoria chimiei cuantice a fost marcata de mai multe momente, relevanta, pentru inceputuri, fiind ideea fizicianului german Max Planck, de cuantificare a energiei emise de un corp negru (un obiect ideal, al carui spectru electromagnetic nu depinde de temperatura sa). In 1905, Albert Einstein explica efectul fotoelectric, postuland ca lumina si, in general, orice radiatie electromagnetica, se poate diviza intr-un numar finit de « cuante » de energie, care sunt puncte localizate in spatiu. Acestea, mai tarziu, vor fi numite « fotoni », termen introdus, in 1926, de catre fizicianul si chimistul american Gilbert Newton Lewis.

Postulatul lui Einstein – « Cand o raza de lumina este difuzata dintr-un punct, energia nu se distribuie continuu, intr-un spatiu din ce in ce mai larg, ci consta intr-un numar finit de cuante de energie, localizate in anumite puncte, deplasandu-se fara a se diviza si care pot fi absorbite sau generate ca un intreg » – se considera ca a fost cea mai « revolutionara » fraza rostita de un fizician, in secolul al XX-lea. Anul 1927 a fost unul generos pentru avansul stiintei, in domeniul chimiei, austriacul Wolfgang Pauli propunand, in locul modelului clasic al atomului, conceput de Niels Bohr, modelul orbital. Acesta se caracterizeaza prin existenta electronilor care ocupa diversi orbitali (volumul din jurul nucleului), cu forme diverse, in jurul nucleului (alcatuit, la randul lui, din protoni si neutroni), prin manifestarea mai multor straturi energetice, prin posibilitatea de a descrie starea atomului prin functii matematice.

Este formulat, aproximativ in acelasi timp, « Principiul incertitudinii, al lui Heisenberg », potrivit caruia pozitia si impulsul unei cuante nu pot fi masurate simultan. Tot in 1927, Walter Heitler si Fritz London, fizicieni germano-irlandezi, au explicat, pentru prima data, din perspectiva chimiei cuantice, legatura chimica dintre doi atomi (de hidrogen) – fiecare electron al unui atom formand o pereche cu cate un electron al celuilalt atom, legaturi care tin laolalta respectivii atomi. Aceasta demonstratie constituie, practic, actul de nastere al chimiei cuantice.

In timp, s-au adaugat nenumarate alte descoperiri in domeniu, printre care, de exemplu, ecuatia Roothaan-Hall (referitoare la molecule sau atomi inchisi, ai caror orbitali sunt dublu ocupati), descoperirea neutrinului (o particula elementara, neutra din punct de vedere electric), in 1955, identificarea efectului cuantic Hall, de catre Klaus von Klitzing, in 1980, valabil in cazul gazelor cu electroni bi-dimensionali, supuse unei temperaturi scazute si unui puternic camp magnetic. Efectul cuantic Hall are nenumarate aplicatii in dezvoltarea semi-conductorilor, in metrologie si, mai ales, in determinarea constantei structurii fine, care determina forta electromagnetica, asigurand coeziunea atomilor si a moleculelor.

In prezent, unul dintre cele mai importante laboratoare de chimie cuantica se afla la Strasbourg, in cadrul Universitatii din cunoscutul oras francez, avand ca teme privilegiate de cercetare chimia complexelor de metale (lantanide, actinide), studiul dinamicii cuantice moleculare, analiza randamentului, a costurilor diferitelor materiale. Deosebit de eficiente sunt, in acest caz, metodele chimiei informatice (sau chimie computationala), o ramura care utilizeaza legile chimiei teoretice, in programe informatice special concepute. De exemplu, modelul tridimensional « Atomi in molecule » (AIM), realizat de catre Richard Bader, chimist canadian, are nenumarate aplicatii in analiza structurii moleculare cristaline, in procesele necesare conceperii medicamentelor.