En una publicación reciente en Ciencias , Los investigadores de la Universidad de Paderborn y el Instituto Fritz Haber de Berlín demostraron su capacidad para observar los movimientos de los electrones durante una reacción química. Los investigadores han estudiado durante mucho tiempo los procesos a escala atómica que gobiernan las reacciones químicas, pero nunca antes fueron capaces de observar los movimientos de los electrones mientras ocurrían.

Los electrones existen en las escalas más pequeñas, tener menos de una cuadrillonésima parte de un metro de diámetro y orbitar un átomo a velocidades de femtosegundos (una cuadrillonésima parte de un segundo). Los experimentadores interesados ​​en observar el comportamiento de los electrones utilizan pulsos de láser para interactuar con los electrones. Pueden calcular la energía y el momento de los electrones analizando las propiedades de los electrones expulsados ​​de la sonda por la luz láser.

El desafío para los investigadores es registrar eventos que tienen lugar en una escala de femtosegundos; primero deben excitar un sistema con un pulso láser, luego observe los siguientes femtosegundos. Luego, envían un segundo pulso láser con un breve retardo de unos pocos femtosegundos. Alcanzar este nivel de resolución es difícil, ya que los femtosegundos son extremadamente cortos:la luz puede viajar 300, 000 kilómetros en un segundo, pero solo 300 nanómetros en un femtosegundo.

Después de excitarse con el primer pulso láser, Los electrones de valencia de los átomos (electrones en el exterior de un átomo que son candidatos para ayudar a formar enlaces químicos) pueden reorganizarse para formar nuevos enlaces químicos. resultando en nuevas moléculas. Debido a la velocidad y escala de estas interacciones, aunque, los investigadores solo han planteado la hipótesis de cómo se produce este reordenamiento.

Además de los métodos experimentales, La informática de alto rendimiento (HPC) se ha convertido en una herramienta cada vez más importante para comprender estas interacciones a nivel atómico, verificar observaciones experimentales, y estudiar el comportamiento de los electrones durante una reacción química con más detalle. Un grupo de la Universidad de Paderborn dirigido por el Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt ha estado colaborando con físicos y químicos para complementar experimentos con modelos computacionales.

Para comprender mejor el comportamiento de los electrones durante una reacción química, Schmidt y sus colaboradores han estado utilizando recursos de supercomputación en el Centro de Computación de Alto Rendimiento de Stuttgart (HLRS) para modelar este fenómeno. "El grupo experimental del Instituto Fritz Haber se acercó a nosotros sobre esta investigación, y de hecho ya habíamos hecho la simulación, ", Dijo Schmidt." En este caso, la teoría estaba por delante del experimento, ya que habíamos hecho una predicción y el experimento lo confirmó ".

Enfoque similar al láser

El año pasado, El grupo de Schmidt se asoció con experimentadores de la Universidad de Duisburg-Essen para excitar un sistema a escala atómica y observar las transiciones de fase fotoinducidas (PIPT) en tiempo real. Transiciones de fase:cuando una sustancia cambia de un estado físico a otro, como el agua que se convierte en hielo, son importantes para estudiar y diseñar materiales, ya que las propiedades de una sustancia pueden cambiar enormemente dependiendo del estado en el que se encuentre.

Por ejemplo, el equipo descubrió que cuando se excita con un pulso láser, Los cables a nanoescala basados ​​en indio esencialmente cambiarían de un aislante a un conductor eléctrico. Estos alambres de indio, si bien no es necesariamente de interés tecnológico inmediato para las aplicaciones electrónicas, sirven como un buen caso de prueba y una base sólida para verificar simulaciones con experimentos.

Este año, El equipo quería tomar lo que había aprendido anteriormente sobre los alambres de indio y estudiar las reacciones químicas en un nivel aún más fundamental:quería rastrear cómo se comportan los electrones constituyentes después de ser excitados por un pulso láser. "El año pasado, publicamos un Naturaleza artículo que demostró la medición del movimiento atómico en esta escala, ", Dijo Schmidt." Podríamos mostrar cómo se movieron los átomos durante la reacción química. Este año, incluso pudimos controlar los electrones mientras se producía la reacción ".

Hablando en sentido figurado, los electrones sirven como pegamento que une químicamente a los átomos. Sin embargo, un pulso láser puede expulsar un electrón, creando lo que los investigadores llaman un "fotomatón". Estos fotocélulas solo duran varios femtosegundos, pero puede provocar la ruptura de enlaces químicos y la formación de nuevos enlaces. Cuando el nanoalambre de indio recibe un pulso de láser, el sistema forma un enlace metálico, lo que explica su cambio de fase en un conductor eléctrico.

Las simulaciones de supercomputación permiten a los investigadores poner en movimiento las trayectorias de los electrones, en última instancia, ayudarlos a estudiar la "vía" de reacción completa. Los investigadores ejecutan simulaciones de los primeros principios, lo que significa que comienzan sin suposiciones sobre cómo funciona un sistema atómico, luego modele computacionalmente átomos y sus electrones bajo las condiciones experimentales. Estos tipos de intensivos, Los cálculos de los primeros principios requieren recursos de supercomputación de vanguardia, como los proporcionados a través del Centro Gauss de Supercomputación en HLRS.

Entre su obra anterior y su proyecto actual, el equipo ahora comprende mejor el importante papel que juegan los fotocélulas en la configuración de cómo se distribuye la energía en un sistema, en última instancia, brinda a los investigadores un método computacional confiable con el que simular transiciones de fase extremadamente rápidas.

Química compleja

Las simulaciones actuales del equipo consisten en alrededor de 1, 000 átomos, cuales, aunque pequeño, les permite obtener una muestra representativa de cómo interactúan los átomos de un sistema y sus electrones constituyentes. El grupo de Paderborn recibió ayuda del equipo de HLRS para optimizar su código, lo que le permite funcionar de manera eficiente en hasta 10, 000 núcleos en paralelo. Schmidt explicó que, si bien la investigación general se beneficiaría de aumentar el tamaño del sistema al orden de 10, 000 átomos, la siguiente fase del trabajo del equipo es trabajar en sistemas más complejos.

"La investigación actual es un cálculo complejo, pero un sistema simple, ", dijo." Nuestro próximo paso es desarrollar esta investigación en lo que se refiere a fotocatalizadores o sistemas que son relevantes para la producción de energía a gran escala; queremos aplicar esto a un sistema real ". Comprender mejor el comportamiento de los electrones en el átomo nivel, los investigadores tienen como objetivo diseñar mejores materiales para convertir, transportando, y almacenamiento de energía.