26 فوریه 2024 -توسط Ecole Polytechnique Federale de Lozanne-مولکول های آب و چگالی الکترون مربوط به حالت اکسایتون ناشی از جذب فوتون. اعتبار: کریستیان تامبور -(پس‌زمینه)/الکسی تال (مولکول‌های آب)
شکی نیست که آب ماده ای قابل توجه است. بدون آن، زندگی هرگز آغاز نمی شد، چه رسد به اینکه امروز ادامه یابد – به نقش آن در خود محیط زیست که اقیانوس ها بیش از 70 درصد زمین را پوشانده اند، اشاره نکنیم.
اما علیرغم فراگیر بودن، آب مایع دارای پیچیدگی‌های الکترونیکی است که مدت‌هاست دانشمندان در شیمی، فیزیک و فناوری را متحیر کرده است. به عنوان مثال، میل الکترونی، یعنی تثبیت انرژی که توسط یک الکترون آزاد در هنگام گرفتن توسط آب انجام می شود، از نقطه نظر تجربی مشخص نشده است.
حتی دقیق‌ترین تئوری ساختار الکترونیکی امروزی نیز نتوانسته است تصویر را روشن کند، به این معنی که مقادیر فیزیکی مهمی مانند انرژی که در آن الکترون‌ها از منابع خارجی می‌توانند در آب مایع تزریق شوند، گریزان باقی می‌مانند. این ویژگی‌ها برای درک رفتار الکترون‌ها در آب بسیار مهم هستند و می‌توانند در سیستم‌های بیولوژیکی، چرخه‌های محیطی و کاربردهای فناوری مانند تبدیل انرژی خورشیدی نقش داشته باشند.
در یک مطالعه اخیر، الکسی تال، توماس بیشوف و آلفردو پاسکوارلو، محققین EPFL، گام های مهمی در رمزگشایی این پازل برداشته اند. مطالعه آنها که در Proceedings of the National Academy of Sciences منتشر شده است، به ساختار الکترونیکی آب با استفاده از روش های محاسباتی که فراتر از پیشرفته ترین رویکردهای امروزی است، می پردازد.
محققان آب را با استفاده از روشی مبتنی بر «نظریه اغتشاش چند جسمی» مورد مطالعه قرار دادند. این یک چارچوب پیچیده ریاضی است که برای مطالعه برهمکنش‌های چند ذره در یک سیستم، مانند الکترون‌ها در یک جامد یا یک مولکول، استفاده می‌شود، و بررسی می‌کند که چگونه این ذرات بر رفتار یکدیگر تأثیر می‌گذارند، نه به صورت مجزا، بلکه به عنوان بخشی از یک گروه برهم کنش بزرگ‌تر.به بیان نسبتاً ساده، نظریه اغتشاش چند جسم راهی برای محاسبه و پیش‌بینی ویژگی‌های یک سیستم چند ذره‌ای با در نظر گرفتن تمام فعل و انفعالات پیچیده بین اجزای آن است.
اما فیزیکدانان این نظریه را با «تصحیحات رأس» تغییر دادند: تغییراتی در نظریه اغتشاش چند جسمی که برهمکنش‌های پیچیده بین ذرات را فراتر از ساده‌ترین تقریب‌ها توضیح می‌دهد.
اصلاحات رأس با در نظر گرفتن اینکه چگونه این فعل و انفعالات بر سطوح انرژی ذرات تأثیر می گذارد، به عنوان مثال، پاسخ آنها به میدان های خارجی یا خود انرژی آنها، نظریه را اصلاح می کند. به طور خلاصه، اصلاحات رأس منجر به پیش‌بینی دقیق‌تر خواص فیزیکی در یک سیستم چند ذره‌ای می‌شود.
مدل سازی آب مایع به ویژه چالش برانگیز است. یک مولکول آب حاوی یک اتم اکسیژن و دو اتم هیدروژن است و هر دو حرکت حرارتی و ماهیت کوانتومی هسته آنها نقش کلیدی دارند. با در نظر گرفتن این جنبه ها، محققان به طور دقیق خواص الکترونیکی آب مانند پتانسیل یونیزاسیون، میل ترکیبی الکترون و شکاف باند را تعیین کردند. این یافته ها برای درک چگونگی تعامل آب با نور و سایر مواد در سطح الکترونیکی ضروری است.
آلفردو پاسکوارلو می گوید: «مطالعه ما در مورد سطوح انرژی آب، تئوری سطح بالا را با آزمایش تطبیق می دهد. الکسی تال همچنین بر اهمیت روش جدید تاکید می کند: “به لطف توصیف پیشرفته ساختار الکترونیکی، ما همچنین توانستیم یک طیف جذبی دقیق تولید کنیم.”
یافته ها پیامدهای اضافی دارند. پیشرفت‌های نظری اعمال شده توسط تیم EPFL پایه‌های یک استاندارد جدید و جهانی را برای دستیابی به ساختارهای الکترونیکی دقیق مواد ایجاد می‌کند. این ابزار بسیار پیش بینی کننده ای را ارائه می دهد که به طور بالقوه می تواند درک اساسی ما از خواص الکترونیکی در علم ماده متراکم را با کاربردهایی در جستجوی خواص مواد با قابلیت های الکترونیکی خاص متحول کند.
