Tunnel de protons - Proton tunneling
L'effet tunnel protonique est un type d' effet tunnel quantique impliquant la disparition instantanée d'un proton sur un site et l'apparition du même proton sur un site adjacent séparé par une barrière de potentiel. Les deux sites disponibles sont délimités par un double puits potentiel dont la forme, la largeur et la hauteur sont déterminées par un ensemble de conditions aux limites. Selon l' approximation WKB , la probabilité qu'une particule fasse un tunnel est inversement proportionnelle à sa masse et à la largeur de la barrière de potentiel. L'effet tunnel électronique est bien connu. Un proton est environ 2000 fois plus massif qu'un électron , il a donc une probabilité beaucoup plus faible d'effet tunnel ; néanmoins, l'effet tunnel protonique se produit encore surtout à basse température et haute pression où la largeur de la barrière de potentiel est diminuée.
L'effet tunnel protonique est généralement associé à des liaisons hydrogène . Dans de nombreuses molécules contenant de l'hydrogène, les atomes d'hydrogène sont liés à deux atomes non hydrogène via une liaison hydrogène à une extrémité et une liaison covalente à l'autre. Un atome d'hydrogène sans son électron est réduit à un proton. Puisque l'électron n'est plus lié à l'atome d'hydrogène dans une liaison hydrogène, cela équivaut à un proton reposant dans l'un des puits d'un potentiel à double puits comme décrit ci-dessus. Lorsque l'effet tunnel du proton se produit, la liaison hydrogène et les liaisons covalentes sont inversées. Une fois que l'effet tunnel du proton se produit, le même proton a la même probabilité de retourner à son site d'origine à condition que le potentiel du double puits soit symétrique.
Les paires de bases d'un brin d' ADN sont reliées par des liaisons hydrogène . En substance, le code génétique est contenu par un arrangement unique de liaisons hydrogène. On pense que lors de la réplication d'un brin d'ADN, il existe une probabilité qu'un effet tunnel protonique se produise, ce qui modifie la configuration de la liaison hydrogène ; cela conduit à une légère altération du code héréditaire qui est à la base des mutations. De même, l'effet tunnel protonique serait également responsable de l'apparition du dysfonctionnement des cellules (tumeurs et cancer) et du vieillissement.
L'effet tunnel protonique se produit dans de nombreux cristaux moléculaires à base d'hydrogène tels que la glace. On pense que la transition de phase entre les phases hexagonale ( glace Ih ) et orthorhombique ( glace XI ) de la glace est rendue possible par l'effet tunnel protonique. L'apparition de tunnels protoniques corrélés dans des amas de glace a également été signalée récemment.