Simulimet superkompjuterike zbulojnë nënshkrimet e orbitës së elektroneve

Askush nuk do të jetë në gjendje të shohë një konstrukt thjesht matematikor siç është një sferë e përsosur. Por tani, shkencëtarët që përdorin simulimet superkompjuterike dhe mikroskopët me rezolucion atomik kanë imazhuar nënshkrimet e orbitaleve të elektroneve, të cilat përcaktohen nga ekuacionet matematikore të mekanikës kuantike dhe parashikojnë se ku ka më shumë gjasa të jetë elektroni i një atomi.

Shkencëtarët në UT Austin, Universiteti Princeton dhe ExxonMobil kanë vëzhguar drejtpërdrejt nënshkrimet e orbitaleve të elektroneve në dy atome të ndryshme të metaleve në tranzicion, hekurin (Fe) dhe kobaltin (Co) të pranishëm në metal-ftalocianina. Këto nënshkrime janë të dukshme në forcat e matura nga mikroskopët e forcës atomike, të cilat shpesh pasqyrojnë orbitalet themelore dhe mund të interpretohen kështu.

Studimi i tyre u botua në mars 2023 si një pikë kryesore e redaktorëve në revistën Nature Communications.

“Bashkëpunëtorët tanë në Universitetin Princeton zbuluan se pavarësisht se Fe dhe Co janë atome fqinje në tabelën periodike, gjë që nënkupton ngjashmëri, spektri i forcës përkatëse dhe imazhet e tyre të matura tregojnë dallime eksperimentale të riprodhueshme,” tha bashkëautori i studimit James R. Chelikowsky, W.A. “Tex” Moncrief, Jr. Kryetar i Materialeve Llogaritëse dhe profesor në Departamentet e Fizikës, Inxhinierisë Kimike dhe Kimisë në Kolegjin e Shkencave të Natyrës në UT Austin. Chelikowsky gjithashtu shërben si drejtor i Qendrës për Materialet Llogaritëse në Institutin Oden për Inxhinierinë dhe Shkenca Kompjuterike.

Pa një analizë teorike, shkencëtarët e Princeton nuk mund të përcaktonin burimin e dallimeve që ata vunë re duke përdorur mikroskopin e forcës atomike pa kontakt me rezolucion të lartë (HR-AFM) dhe spektroskopinë që mati forcat në shkallë molekulare në rendin e pikonewtonëve (pN). një e trilionta e Njutonit.

“Kur vëzhguam për herë të parë imazhet eksperimentale, reagimi ynë fillestar ishte të mrekulloheshim sesi eksperimenti mund të kapte dallime kaq delikate. Këto janë forca shumë të vogla,” shtoi Chelikowsky.

“Duke vëzhguar drejtpërdrejt nënshkrimet e orbitaleve elektronike duke përdorur teknika të tilla si mikroskopi i forcës atomike, ne mund të fitojmë një kuptim më të mirë të sjelljes së atomeve dhe molekulave individuale, dhe potencialisht edhe se si të projektojmë dhe inxhinierojmë materiale të reja me veti specifike. Kjo është veçanërisht e rëndësishme. në fusha të tilla si shkenca e materialeve, nanoteknologjia dhe kataliza”, tha Chelikowsky.

Llogaritjet e nevojshme të strukturës elektronike bazohen në teorinë funksionale të densitetit (DFT), e cila nis nga ekuacionet bazë mekanike kuantike dhe shërben si një qasje praktike për parashikimin e sjelljes së materialeve.

“Kontributi ynë kryesor është se ne vërtetuam përmes llogaritjeve tona të DFT në hapësirën reale që ndryshimet eksperimentale të vëzhguara rrjedhin kryesisht nga konfigurimet e ndryshme elektronike në elektronet 3d të Fe dhe Co pranë nivelit Fermi, gjendja më e lartë e energjisë që një elektron mund të zërë në atom. ”, tha bashkëautori i studimit Dingxin Fan, një ish-student i diplomuar që punon me Chelikowsky. Fan tani është një bashkëpunëtor kërkimor postdoktoral në Institutin e Materialeve në Princeton.

Llogaritjet DFT përfshinin substratin e bakrit për atomet Fe dhe Co, duke shtuar disa qindra atome në përzierje dhe duke kërkuar përllogaritje intensive, për të cilën atyre iu dha një alokim në superkompjuterin Stampede2 në Qendrën e Kompjuterave të Avancuara të Teksasit (TACC).

“Për sa i përket modelit tonë, në një lartësi të caktuar, ne lëvizëm majën e monoksidit të karbonit të AFM mbi mostrën dhe llogaritëm forcat kuantike në çdo pikë të rrjetit në hapësirën reale,” tha Fan. “Kjo përfshin qindra llogaritje të ndryshme. Paketat e integruara të softuerit në Stampede2 të TACC na ndihmuan të kryejmë analizën e të dhënave shumë më lehtë. Për shembull, softueri Visual Molecular Dynamics përshpejton një analizë të rezultateve tona llogaritëse.”

“Stampede2 ka ofruar fuqi të shkëlqyer llogaritëse dhe kapacitet ruajtjeje për të mbështetur projekte të ndryshme kërkimore që kemi,” shtoi Chelikowsky.

Duke demonstruar se nënshkrimet e orbitës së elektroneve janë vërtet të vëzhgueshme duke përdorur AFM, shkencëtarët pohojnë se kjo njohuri e re mund të zgjerojë zbatueshmërinë e AFM në zona të ndryshme.

Për më tepër, studimi i tyre përdori një majë sonde molekulare inerte për t’iu afruar një molekule tjetër dhe mati me saktësi ndërveprimet midis dy molekulave. Kjo i lejoi ekipit shkencor të studionte reaksione kimike specifike sipërfaqësore.

Për shembull, supozoni se një katalizator mund të përshpejtojë një reaksion kimik të caktuar, por nuk dihet se cila zonë molekulare është përgjegjëse për katalizën. Në këtë rast, një majë AFM e përgatitur me molekulën e reaktantit mund të përdoret për të matur ndërveprimet në vende të ndryshme, duke përcaktuar përfundimisht vendin ose vendet kimikisht aktive.

Për më tepër, meqenëse informacioni i nivelit orbital mund të merret, shkencëtarët mund të fitojnë një kuptim shumë më të thellë të asaj që do të ndodhë kur të ndodhë një reaksion kimik. Si rezultat, shkencëtarë të tjerë mund të projektojnë katalizatorë më efikasë bazuar në këtë informacion.

Tha Chelikowsky: “Superkompjuterët, në shumë mënyra, na lejojnë të kontrollojmë se si atomet ndërveprojnë pa pasur nevojë të shkojmë në laborator. Një punë e tillë mund të udhëheqë zbulimin e materialeve të reja pa një procedurë të mundimshme ‘provash dhe gabimesh’.”