Belyser en bedre måde at beregne excitationsenergi på

Glødepinde, som dem, der viftes af trick-or-treaters og festdeltagere, lyser på grund af exciterede elektroner fra molekylerne i det indeholdte fluorescerende farvestof. Elektroner accepterer den spændende energi fra en kemisk reaktion, der opstår, når et indre rør i glødepinden er revnet, og to væsker kommer i kontakt. Efter spændende til et højere energiniveau, de slapper tilbage til en lavere energi ved at frigive lys, der kan guide unge slikjægere i kostumer.

En glødestifts farve giver en direkte måde at visualisere excitationsenergi på, den energi, der kræves for at sende en enkelt elektron ind i en exciteret tilstand. Men dette fænomen spiller fundamentalt vigtige roller i adskillige situationer, såsom at oplade en mobiltelefon, billeddannelse af celler med fluorescerende mikroskopi og fotosyntese i planter. Forskere inden for flere felter stoler på at forstå materialers excitationsenergier i deres arbejde, men at beregne deres værdier er notorisk vanskeligt og bliver utroligt komplekst for elektroner i større forbindelser og polymerer.

I en ny undersøgelse, der vises i denne uge i Journal of Chemical Physics , forskere ved Temple University demonstrerer en ny metode til at beregne excitationsenergier. De brugte en ny tilgang baseret på tæthedsfunktionelle metoder, som bruger en atom-for-atom tilgang til at beregne elektroniske interaktioner. Ved at analysere et benchmark sæt af små molekyler og oligomerer, deres funktionelle producerede mere nøjagtige estimater af excitationsenergi sammenlignet med andre almindeligt anvendte tæthedsfunktioner, mens det kræver mindre computerkraft.

Tæthedsfunktionen har udbredt potentiale for brug på grund af dens forbedrede nøjagtighed, og fordi den er en ikke-empirisk funktionel, hvilket betyder, at den ikke er afhængig af data fra specifikke forhold i beregningen. Dermed, det kan anvendes universelt til at løse spørgsmål inden for kemi, fysik og materialevidenskab.

"Vi forsøgte at udvikle en ny metode, der ikke kun er god for jordtilstanden (laveste energi), men også for den ophidsede tilstand. Vi fandt ud af, at fordi denne metode giver et meget godt skøn over excitationsenergi, det kan yderligere anvendes til at studere andre dynamiske egenskaber, " sagde Jianmin Tao, forskningsassistent professor i fysik ved Temple University. "Denne funktion kan give ny indsigt i excitationsenergi eller relaterede egenskaber ved molekyler og materialer."

Funktionen er særlig effektiv med hensyn til computerkraft, fordi den er semi-lokal, og bruger elektrontætheden ved et referencepunkt, samt information omkring referencepunktet for at informere beregningen. Ligesom andre semi-lokale funktionelle, imidlertid, den nye metode har plads til forbedring i beregning af excitationsenergier for konjugerede oligomerer - forbindelser sammensat af flere enheder indeholdende skiftende enkelt- og multiple bindinger, som deler delokaliserede elektroner.

I det fremtidige arbejde, Tao planlægger at anvende det funktionelle til at studere selvlysende og fluorescerende farvestoffer, som absorberer og udsender lys med særlige målbare bølgelængder. Disse molekyler er uvurderlige for biomedicinsk forskning, hvor de kan bruges til at mærke specifikke celler eller proteiner under mikroskopet, eller i diagnostiske tests for at påvise bestemte DNA-sekvenser. Estimering af excitationsenergierne af disse komplekse materialer, imidlertid, er en regnemæssig tung opgave.

"Farvestoffer er normalt store, konjugerede oligomerer og polymerer, " forklarede Tao. "Deres optiske spektre kan finjusteres ved manipulation af molekylets skelet, så denne funktion bør være meget nyttig i design af lysemitterende materialer, på grund af dens høje beregningseffektivitet og gode nøjagtighed, " sagde Tao.