15 maja 2023 r. – Nikt nigdy nie będzie w stanie zobaczyć czysto matematycznej struktury takiej jak idealna piłka. Ale teraz naukowcy korzystający z symulacji superkomputerów i mikroskopów o rozdzielczości atomowej zobrazowali sygnatury orbit elektronów, które są określone przez równania matematyczne mechaniki kwantowej i przewidują, gdzie najprawdopodobniej znajduje się elektron w atomie.
Naukowcy z UT Austin, Princeton University i ExxonMobil z pierwszej ręki zaobserwowali elektronowe sygnatury orbitalne w dwóch różnych atomach metali przejściowych, żelaza (Fe) i kobaltu (Co), które znajdują się w ftalocyjaninie metalu. Te sygnatury pojawiają się w siłach mierzonych przez mikroskopy sił atomowych, które często odzwierciedlają podstawowe orbitale i mogą być interpretowane jako takie.
Oni Stań Opublikowano w marcu 2023 r. jako artykuł redakcyjny w Nature Communications.
„Nasi współpracownicy z Princeton University odkryli, że chociaż Fe i Co są sąsiednimi atomami w układzie okresowym, co wskazuje na podobieństwo, odpowiednie widma mocy i ich zmierzone obrazy pokazują powtarzalne różnice eksperymentalne” – powiedział współautor badania. James R. ShelikowskiWA „Tex” Moncrief Jr. Katedra Materiałów Obliczeniowych i profesor na Wydziałach Fizyki i Inżynierii Chemicznej oraz Chemii w Kolegium Nauk Przyrodniczych w UT Austin. Chelikowsky pełni również funkcję dyrektora Centrum Materiałów Obliczeniowych na Uniwersytecie Michigan Oden Instytut Inżynierii i Nauk Obliczeniowych.
Bez analizy teoretycznej naukowcy z Princeton nie byli w stanie określić źródła różnic, które zaobserwowali za pomocą bezkontaktowej mikroskopii sił atomowych o wysokiej rozdzielczości (HR-AFM) i spektroskopii, która mierzy siły w skali molekularnej rzędu pikonewtona (pN). , jedna bilionowa niutona.
„Kiedy po raz pierwszy zauważyliśmy obrazy eksperymentalne, naszą pierwszą reakcją było zdziwienie, w jaki sposób eksperyment uchwycił tak subtelne różnice. To są bardzo małe siły” – dodał Chelikowski.
„Dzięki bezpośredniej obserwacji elektronowych sygnatur orbitalnych przy użyciu technik takich jak mikroskopia sił atomowych, możemy lepiej zrozumieć zachowanie poszczególnych atomów i cząsteczek, a być może nawet dowiedzieć się, jak projektować i konstruować nowe materiały o określonych właściwościach. Jest to szczególnie ważne w obszarach takich jak materiałoznawstwo, nanotechnologia i kataliza” – powiedział Chilikowski.
Uporządkowane obliczenia struktury elektronowej opierają się na teorii funkcjonału gęstości (DFT), która opiera się na podstawowych równaniach mechaniki kwantowej i służy jako praktyczne podejście do przewidywania zachowania materiałów.
„Naszym głównym wkładem jest to, że zweryfikowaliśmy za pomocą obliczeń DFT w przestrzeni rzeczywistej, że obserwowane różnice eksperymentalne wynikają głównie z różnych konfiguracji elektronicznych w konfiguracjach elektronów 3D Fe i Co w pobliżu poziomu Fermiego, który jest najwyższym stanem energii, jaki może zajmować elektron w atomie” – powiedział autor, pierwszy uczestnik badania Wentylator Dingxina, były doktorant, który pracuje z Chelikowsky. Fan jest obecnie pracownikiem naukowym ze stopniem doktora w Princeton Institute for Materials.
Obliczenia DFT obejmowały miedziane podłoże z atomów Fe i Co, dodając kilkaset atomów do mieszanki i zachęcając do intensywnych obliczeń, ponieważ zostały one przypisane na superkomputerze Stampede2 w Texas Advanced Computing Center (TACC), finansowanym przez National Science Fundacja.
„W przypadku naszego modelu na pewnej wysokości przesunęliśmy końcówkę CO AFM nad próbką i obliczyliśmy siły kwantowe w każdym pojedynczym punkcie sieci w rzeczywistej przestrzeni” – powiedział Fan. „Pociąga to za sobą setki różnych kont. Pakiety oprogramowania dołączone do Stampede2 firmy TACC pomogły nam w łatwiejszym przeprowadzaniu analizy danych. Na przykład plik Widoczna dynamika molekularna Oprogramowanie przyspiesza analizę naszych wyników obliczeniowych”.
„Stampede2 zapewnia doskonałą moc obliczeniową i pojemność do obsługi naszych różnych projektów badawczych” — dodał Chelikowski.
Pokazując, że elektroniczne sygnatury orbitalne można rzeczywiście zaobserwować za pomocą AFM, naukowcy potwierdzają, że ta nowa wiedza może poszerzyć zastosowanie AFM w różnych regionach.
Co więcej, w ich badaniu wykorzystano obojętną końcówkę sondy molekularnej, aby zbliżyć się do innej cząsteczki i precyzyjnie zmierzyć interakcje między dwiema cząsteczkami. Umożliwiło to zespołowi naukowemu zbadanie specyficznych reakcji chemicznych powierzchni.
Załóżmy na przykład, że katalizator może przyspieszyć określoną reakcję chemiczną, ale nie wiadomo, które miejsce cząsteczkowe jest odpowiedzialne za katalizę. W takim przypadku końcówka AFM przygotowana z cząsteczką reagenta może być wykorzystana do pomiaru reakcji w różnych miejscach, a ostatecznie do identyfikacji miejsca lub miejsc aktywnych chemicznie.
Ponadto, ponieważ można uzyskać informacje z poziomu orbity, naukowcy mogą uzyskać znacznie głębsze zrozumienie tego, co się stanie, gdy nastąpi reakcja chemiczna. W rezultacie inni naukowcy mogą projektować skuteczniejsze bodźce na podstawie tych informacji.
„Superkomputery na wiele sposobów pozwalają nam kontrolować interakcje atomów bez konieczności chodzenia do laboratorium” – powiedział Chelikowski. „Taka praca może pokierować odkrywaniem nowych materiałów bez żmudnych „prób i błędów”.
the Stań„Obserwacja elektronicznych sygnałów orbitalnych pojedynczych atomów w metalicznej ftalocyjaninie za pomocą mikroskopii sił atomowych” została opublikowana w marcu 2023 r. w Nature Communications. Autorami badania są Pengcheng Chen, Dingxin Fan, Annabella Selloni, Emily A. Carter, Craig B. Arnold i Nan Yao z Princeton University. Yunlong Zhang i Adam S. Gross z ExxonMobil Technology and Engineering; James R. Tshilikovsky z UT Austin. Fundusze pochodziły od ExxonMobil za pośrednictwem Princeton E-affiliates Partnership of the Andlinger Center for Energy and Environment, Welch Foundation (grant F-2094) oraz National Science Foundation (grant nr DMR-2011750).
źródło: Jorge Salazar, TACC
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
