Ny MD-simulering kaster lys over mysteriet med hydratiserede elektroners struktur

Ekstra elektroner opløst i flydende vand, kendt som hydrerede elektroner, blev første gang rapporteret for 50 år siden. Imidlertid, deres struktur er stadig ikke godt forstået. MARVEL-forskere ved universitetet i Zürich, ETH og det schweiziske nationale supercomputingcenter CSCS har nu taget et skridt i retning af at løse mysteriet. Deres papir, "Dynamikken i den bulkhydrerede elektron fra mange kropsbølgefunktionsteori, " er blevet offentliggjort i Angewandte Chemie .

Den e ^- _aq arten er svær at observere direkte, fordi den er kortvarig og ikke kan adskilles eller koncentreres. Dette udelukker brugen af ​​direkte strukturelle tilgange, diffraktion eller NMR-spektroskopi for at udforske dens struktur. Selvom nogle egenskaber inklusive spektre i UV- og IR-regioner og bindingsenergien er blevet observeret direkte, den generelle mangel på direkte eksperimentelle målinger af strukturen af ​​den hydrerede elektron kalder på teori.

Pålidelig modellering af den hydrerede elektron er mindst lige så udfordrende som den eksperimentelle tilgang, og begrænsningerne af de hidtil anvendte beregningsmetoder har ført til betydelig teoretisk usikkerhed. Forskere har ikke, for eksempel, været i stand til at blive enige om, hvorvidt den hydrerede elektron optager et hulrum. Selvom de fleste teoretiske undersøgelser tyder på, at det gør, modeller uden hulrum har også vist sig nøjagtige. Et andet diskussionspunkt er knyttet til den hydratiserede elektrons skelnelige overflade- og bulkstrukturer.

I avisen, forskere Vladimir Rybkin og Jan Wilhelm ved Universitetet i Zürich og Joost VadeVondele ved ETH Zürich og CSCS brugte den første molekylære dynamiksimulering af den bulkhydrerede elektron baseret på korreleret bølgefunktionsteori til at give afgørende beviser til fordel for et vedvarende tetraedrisk hulrum bestående af fire vandmolekyler. De viste også, at der ikke er nogen stabile ikke-hulrumsstrukturer i den bulkhydrerede elektron.

Forskerne nåede frem til deres model gennem nøje overvejelse af, hvilke funktioner den mest nøjagtige tilgang skal have. De ønskede, at det skulle være baseret på molekylær dynamik for at fange dannelsen og dynamiske transformationer af hulrummet. De havde brug for et mangelegeme-korreleret elektronisk strukturniveau for at undgå delokaliseringsfejl og for at tillade de korrelationseffekter, der er blevet fundet afgørende for at forudsige elektronens opløsning nøjagtigt uden empiriske parametre. De ønskede, at simuleringen skulle udføres i bulk under periodiske randbetingelser for at undgå dannelse af overfladestrukturen og, endelig, metoden skal give en nøjagtig beskrivelse af flydende vand.

MD-simuleringen opfylder alle disse krav. Det repræsenterer den første dynamiske simulering af en kompleks kemisk art i den kondenserede fase på det korrelerede bølgefunktionsniveau i teorien. Dette var det første kritiske skridt. Den anden var faktisk at udføre det. Sådanne beregninger har været teknisk umulige, indtil de seneste fremskridt - inklusive dem, der er lavet i deres egne grupper - har muliggjort massivt parallelle mange-legeme-teoriberegninger i den fortættede fase på avancerede supercomputere såsom dem som CSCS. Det tog dem ikke desto mindre omkring 1 million nodetimer på Piz Daint supercomputeren, Europas hurtigste.

Modellen viste, at der dannes et hulrum inden for 250 femtosekunder, efter at den overskydende elektron er tilsat det uforstyrrede flydende vand. Kritisk, simuleringen kunne ikke finde noget bevis på ikke-hulrumsstrukturer af den bulkhydrerede elektron i hverken stabile eller metastabile tilstande. Dette giver meget stærkere teoretiske beviser for hulrumsmodellen.