_ O nouă dezvoltare teoretică clarifică structura electronică a apei

Fără îndoială că apa este semnificativă. Fără ea, viața nu ar fi început niciodată, cu atât mai mult să continue astăzi – ca să nu mai vorbim de rolul său în mediul însuși, cu oceanele care acoperă peste 70% din Pământ.

Dar, în ciuda ubicuității sale, apa lichidă prezintă unele componente electronice. complexități care i-au nedumerit mult timp pe oamenii de știință din chimie, fizică și tehnologie. De exemplu, afinitatea electronilor, adică stabilizarea energiei suferită de un electron liber atunci când este capturat de apă, a rămas slab caracterizată din punct de vedere experimental.

Nici și cea mai precisă teorie a structurii electronice de astăzi nu a fost capabilă. pentru a clarifica imaginea, ceea ce înseamnă că cantități fizice importante, cum ar fi energia la care electronii din surse externe pot fi injectați în apă lichidă, rămân evazive. Aceste proprietăți sunt cruciale pentru înțelegerea comportamentului electronilor în apă și ar putea juca un rol în sistemele biologice, ciclurile mediului și aplicațiile tehnologice precum conversia energiei solare.

Într-un studiu recent, cercetătorii EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff și Alfredo Pasquarello au făcut progrese semnificative în descifrarea puzzle-ului. Studiul lor, publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences, abordează structura electronică a apei utilizând metode computaționale care depășesc cele mai avansate abordări de astăzi.

Cercetătorii au studiat apa folosind o metodă bazată pe „perturbația mai multor corpuri”. teorie." Acesta este un cadru matematic complex utilizat pentru a studia interacțiunile mai multor particule dintr-un sistem, cum ar fi electronii dintr-un solid sau o moleculă, explorând modul în care aceste particule își afectează reciproc comportamentul, nu izolat, ci ca parte a unui grup de interacțiune mai mare.

Spunând relativ simplu, teoria perturbației cu mai multe corpuri este o modalitate de a calcula și prezice proprietățile unui sistem cu mai multe particule, luând în considerare toate interacțiunile complexe dintre componentele sale.

Dar, fizicienii au modificat teoria cu „corecții de vârf”: modificări în teoria perturbațiilor cu mai multe corpuri care țin cont de interacțiunile complexe dintre particule dincolo de cele mai simple aproximări.

Corectările de vârfuri rafinează teoria ținând cont de modul în care aceste interacțiuni afectează nivelurile de energie ale particulelor, de exemplu, răspunsul lor la câmpurile externe sau energia lor proprie. Pe scurt, corecțiile vârfurilor conduc la predicții mai precise ale proprietăților fizice într-un sistem cu mai multe particule.

Modelarea apei lichide este deosebit de dificilă. O moleculă de apă conține un atom de oxigen și doi atomi de hidrogen, iar atât mișcarea lor termică, cât și natura cuantică a nucleelor ​​lor joacă un rol cheie. Luând în considerare aceste aspecte, cercetătorii au determinat cu precizie proprietățile electronice ale apei, cum ar fi potențialul de ionizare, afinitatea electronilor și banda interzisă. Aceste descoperiri sunt esențiale pentru înțelegerea modului în care apa interacționează cu lumina și cu alte substanțe la nivel electronic.

„Studiul nostru asupra nivelurilor de energie ale apei împacă teoria de nivel înalt cu experimentul”, spune Alfredo Pasquarello. Alexey Tal subliniază în continuare importanța noii metodologii: „Datorită descrierii avansate a structurii electronice, am reușit, de asemenea, să producem un spectru de absorbție precis.”

Descoperirile au implicații suplimentare. Dezvoltarile teoretice aplicate de echipa EPFL pun bazele unui nou standard aplicabil universal pentru realizarea unor structuri electronice precise ale materialelor. Acesta oferă un instrument foarte predictiv care ar putea revoluționa înțelegerea noastră fundamentală a proprietăților electronice în știința materiei condensate, cu aplicații în căutarea proprietăților materialelor cu funcționalități electronice specifice.

(Fluierul)