Forskere rapporterer om en enklere metode til præcis visualisering af molekylær orbital

Opdagelser og fremskridt inden for materialevidenskab lægger ofte grundlaget for teknologiske gennembrud, der omformer mange industrielle og kommercielle områder, herunder medicin, forbrugerelektronik og energiproduktion, for at nævne nogle få.

Alligevel understøtter udviklingen af ​​eksperimentelle teknikker udforskningen af ​​nye materialer, hvilket baner vejen for banebrydende opdagelser. Disse teknikker giver videnskabsfolk mulighed for at dykke ned i et materiales kemiske og fysiske egenskaber og låser op for indsigt, der er afgørende for at realisere deres potentielle anvendelser.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Journal of Physical Chemistry A , rapporterede et forskerhold ledet af lektor Kaori Niki fra Chiba University, Japan, en ny metode til eksperimentelt at visualisere molekylære orbitaler (MO'er) - fordelingen og tilstanden af ​​elektroner i et givet molekyle.

Deres seneste papir, som blev indsendt den 29. september 2023 og offentliggjort online den 26. marts 2024, var medforfatter af Rena Asano og Prof. Manabu Hagiwara fra Chiba University, Prof. Yoichi Yamada fra University of Tsukuba og Prof. Kazushi Mimura fra Hiroshima City University.

Den foreslåede metode er centreret omkring photoemission orbital tomography (POT). Denne teknik består i at måle fordelingen og momentum af elektroner frigivet rundt om et materiale efter at have absorberet energi fra indkommende lys. Ved at kortlægge disse variable kan man så teoretisk beregne materialets MO'er.

På trods af at den er lovende, står traditionel POT over for adskillige udfordringer, der i høj grad begrænser dens anvendelighed. For det første er der behov for flere runder af POT-målinger for at sondere materialet ved forskellige fotonenergier og rekonstruere tredimensionelle MO'er. Dette tager tid og kræver komplekse eksperimentelle protokoller.

For det andet, for korrekt at tage højde for forskelle i molekylær orientering og deformationer i et givet materiale, er det nødvendigt at kombinere POT med andre analytiske teknikker, hvilket er ret dyrt og kedeligt. For det tredje er traditionelle POT-teknikker følsomme over for støj i de målte data, hvilket gør det vanskeligt at observere små MO'er.

For at løse alle disse begrænsninger udviklede Prof. Nikis team en ny POT-teknik baseret på et matematisk analyseværktøj kaldet PhaseLift-algoritmen. Denne algoritme er designet til at løse et grundlæggende problem i signal- og billedbehandling:rekonstruering af et signal eller billede fra ufuldstændige eller indirekte målinger.

Ved at bruge PhaseLift forenklede forskerne fotoelektronmomentumkortene (PMM'er) opnået gennem POT til en mere overskuelig form, hvilket igen gjorde dem i stand til lettere og mere præcist at beregne de ønskede MO'er.

En af de vigtigste fordele ved den foreslåede tilgang er, at præcise MO'er kan opnås fra et enkelt sæt PMM-målinger. Desuden er den meget bedre til at håndtere støjende data. Dette er til dels takket være den smarte brug af sparsitetsbaserede teknikker, som begrænser det rum, hvor løsninger til MO'er kun anses for at være de mest relevante molekylære orbitaler.

Både teoretiske analyser såvel som eksperimentelle tests bekræftede gyldigheden af ​​denne innovative metode, hvilket viste dens potentiale. "Denne forskning var et samarbejde mellem matematikere, informationsteoretikere og fysiske forskere og omfattede specifikt både eksperimentalister og teoretikere," forklarer prof. Niki.

"Ved at udnytte deres ekspertise har vi opnået succesfuld tværfaglig fusionsforskning. Denne samarbejdstilgang har gjort os i stand til at overvinde tidligere udfordringer og levere en POT-metode, der lover bredere tilgængelighed og anvendelighed," tilføjede hun.

Ved hjælp af den foreslåede teknik vil forskere lettere kunne visualisere molekylers elektroniske tilstande i tyndfilmsmaterialer. Til gengæld vil dette hjælpe med bedre at forstå oprindelsen af ​​relevante fysiske egenskaber, hvilket fører til nye smarte materialedesigns og yderligere innovationer inden for anvendt videnskab.

"Vores udviklede metode repræsenterer et gennembrud i visualiseringen af ​​de elektroniske tilstande af materialer, som tidligere var udfordrende at observere," siger prof. Niki.

I erkendelse af det enorme potentiale, som PhaesLift-baserede POT tilbyder, håber Prof. Niki og teamet at blive pionerer inden for dette nye forskningsfelt. "I forventning om den globale udbredelse af PMM håber jeg, at vi kan etablere et center med speciale i PMM-analyse foran resten af ​​verden," siger hun.

"Dette kerneinstitut vil forhåbentlig blive et centrum for innovation, der driver udviklingen af ​​adskillige nye materialer, der vil understøtte den japanske økonomi i det næste halve århundrede."

Flere oplysninger: K. Niki et al., Photoemission Orbital Tomography Using a Robust Sparse PhaseLift, The Journal of Physical Chemistry A (2024). DOI:10.1021/acs.jpca.3c06506

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry A

Leveret af Chiba University