Luces químicas, como los blandidos por los que hacen truco o trato y los asistentes a la fiesta, se encienden debido a los electrones excitados de las moléculas en el tinte fluorescente contenido. Los electrones aceptan la energía excitante de una reacción química que se produce cuando un tubo interior de la barra luminosa se agrieta y dos fluidos entran en contacto. Después de excitarse a un nivel de energía más alto, se relajan de nuevo a una energía más baja liberando luz que puede guiar a los jóvenes cazadores de dulces disfrazados.
El color de una barra luminosa ofrece una forma directa de visualizar la energía de excitación, la energía necesaria para enviar un solo electrón a un estado excitado. Pero este fenómeno juega un papel fundamentalmente importante en numerosas situaciones, como cargar un teléfono celular, imágenes de células con microscopía fluorescente y fotosíntesis en plantas. Los investigadores en múltiples campos confían en la comprensión de las energías de excitación de los materiales en su trabajo, pero calcular sus valores es notoriamente difícil y se vuelve increíblemente complejo para los electrones en compuestos y polímeros más grandes.
En un nuevo estudio que aparece esta semana en el Revista de física química , Los investigadores de la Universidad de Temple demuestran un nuevo método para calcular las energías de excitación. Utilizaron un nuevo enfoque basado en métodos funcionales de densidad, que utilizan un enfoque átomo por átomo para calcular interacciones electrónicas. Al analizar un conjunto de referencia de moléculas pequeñas y oligómeros, su funcional produjo estimaciones más precisas de la energía de excitación en comparación con otros funcionales de densidad de uso común, mientras que requiere menos potencia informática.
El funcional de densidad tiene un amplio potencial de uso debido a su precisión mejorada y debido a que es un funcional no empírico, lo que significa que no se basa en datos de condiciones específicas en el cálculo. Por lo tanto, se puede aplicar universalmente para abordar cuestiones de química, ciencia física y de los materiales.
"Intentamos desarrollar un nuevo método que sea bueno no solo para el estado del suelo (energía más baja), sino también por el estado de excitación. Descubrimos que debido a que este método proporciona una muy buena estimación de la energía de excitación, se puede aplicar además para estudiar otras propiedades dinámicas, "dijo Jianmin Tao, profesor asistente de investigación de física en la Universidad de Temple. "Esta función puede proporcionar conocimientos novedosos sobre la energía de excitación o propiedades relacionadas de moléculas y materiales".
El funcional es especialmente eficiente en términos de potencia informática porque es semilocal, y utiliza la densidad de electrones en un punto de referencia, así como información sobre el punto de referencia para informar el cálculo. Como otros funcionales semilocales, sin embargo, el nuevo método tiene margen de mejora en el cálculo de las energías de excitación para oligómeros conjugados:compuestos compuestos por unidades múltiples que contienen enlaces únicos y múltiples alternados, que comparten electrones deslocalizados.
En el trabajo futuro, Tao planea aplicar lo funcional para estudiar tintes luminiscentes y fluorescentes, que absorben y emiten luz de longitudes de onda medibles particulares. Estas moléculas son invaluables para la investigación biomédica, donde se pueden usar para etiquetar células o proteínas específicas bajo el microscopio, o en pruebas de diagnóstico para detectar secuencias de ADN particulares. Estimando las energías de excitación de estos materiales complejos, sin embargo, es una tarea computacionalmente pesada.
"Los tintes suelen ser grandes, oligómeros y polímeros conjugados, "explicó Tao." Sus espectros ópticos se pueden ajustar mediante la manipulación del esqueleto de la molécula, por lo que esta funcional debería ser muy útil en el diseño de materiales emisores de luz, debido a su alta eficiencia computacional y buena precisión, "Dijo Tao.
