En ny teoretisk udvikling tydeliggør vandets elektroniske struktur

Der er ingen tvivl om, at vand har betydning. Uden den ville livet aldrig være begyndt, endsige fortsætte i dag – for ikke at nævne dets rolle i selve miljøet, med oceaner, der dækker over 70 % af Jorden.

Men på trods af dets allestedsnærværelse har flydende vand nogle elektroniske forviklinger, der længe har undret videnskabsmænd inden for kemi, fysik og teknologi. For eksempel er elektronaffiniteten, dvs. den energistabilisering, som en fri elektron gennemgår, når den fanges af vand, forblevet dårligt karakteriseret set fra et eksperimentelt synspunkt.

Selv nutidens mest nøjagtige elektroniske strukturteori har ikke været i stand til at afklare billedet, hvilket betyder, at vigtige fysiske størrelser som den energi, hvormed elektroner fra eksterne kilder kan injiceres i flydende vand, forbliver uhåndgribelige. Disse egenskaber er afgørende for at forstå elektronernes adfærd i vand og kan spille en rolle i biologiske systemer, miljøcyklusser og teknologiske anvendelser som solenergikonvertering.

I en nylig undersøgelse har EPFL-forskerne Alexey Tal, Thomas Bischoff og Alfredo Pasquarello gjort betydelige fremskridt med at tyde puslespillet. Deres undersøgelse, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , adresserer vands elektroniske struktur ved hjælp af beregningsmetoder, der går ud over nutidens mest avancerede tilgange.

Forskerne undersøgte vand ved hjælp af en metode baseret på "mange-legeme-forstyrrelsesteorien." Dette er en kompleks matematisk ramme, der bruges til at studere interaktionerne mellem flere partikler i et system, såsom elektroner i et fast stof eller et molekyle, og undersøge, hvordan disse partikler påvirker hinandens adfærd, ikke isoleret, men som en del af en større interagerende gruppe.

Sagt relativt enkelt er mange-legeme-forstyrrelsesteori en måde at beregne og forudsige egenskaberne af et mange-partikel-system ved at tage højde for alle de komplekse interaktioner mellem dets komponenter.

Men fysikerne justerede teorien med "vertex-korrektioner":modifikationer i mange-legeme-forstyrrelsesteorien, der forklarer de komplekse interaktioner mellem partikler ud over de enkleste tilnærmelser.

Vertex-korrektioner forfiner teorien ved at tage højde for, hvordan disse interaktioner påvirker partiklernes energiniveauer, fx deres respons på eksterne felter eller deres selvenergi. Kort sagt fører toppunktskorrektioner til mere nøjagtige forudsigelser af fysiske egenskaber i et system med mange partikler.

Modellering af vands elektroniske egenskaber

Modellering af flydende vand er særligt udfordrende. Et vandmolekyle indeholder et oxygenatom og to hydrogenatomer, og både deres termiske bevægelse og kvantenaturen af ​​deres kerner spiller en nøglerolle. Med udgangspunkt i disse aspekter bestemte forskerne nøjagtigt vands elektroniske egenskaber, såsom dets ioniseringspotentiale, elektronaffinitet og båndgab. Disse fund er afgørende for at forstå, hvordan vand interagerer med lys og andre stoffer på det elektroniske niveau.

"Vores undersøgelse af vands energiniveauer forener teori på højt niveau med eksperimenter," siger Alfredo Pasquarello. Alexey Tal understreger yderligere vigtigheden af ​​den nye metode:"Takket være den avancerede beskrivelse af den elektroniske struktur var vi også i stand til at producere et nøjagtigt absorptionsspektrum."

Resultaterne har yderligere implikationer. Den teoretiske udvikling anvendt af EPFL-teamet lægger grundlaget for en ny, universelt anvendelig standard for at opnå nøjagtige elektroniske strukturer af materialer. Dette giver et yderst forudsigende værktøj, der potentielt kan revolutionere vores grundlæggende forståelse af elektroniske egenskaber i videnskaben om kondenseret stof, med anvendelser i søgningen efter materialeegenskaber med specifikke elektroniske funktionaliteter.

Flere oplysninger: Tal, Alexey et al., Absolutte energiniveauer af flydende vand fra mange-legeme-forstyrrelsesteori med effektive vertexkorrektioner, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2311472121. doi.org/10.1073/pnas.2311472121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Ecole Polytechnique Federale de Lausanne