Este gráfico muestra los cálculos ab initio altamente precisos del equipo en rojo, líneas punteadas relativas al espectro LIF experimental de Mg2, marcado en negro. Crédito:Piecuch Lab
Dímero de magnesio (Mg 2 ) es una molécula frágil que consta de dos átomos que interactúan débilmente y se mantienen unidos por las leyes de la mecánica cuántica. Recientemente ha surgido como una sonda potencial para comprender los fenómenos fundamentales en la intersección de la química y la física ultrarría. pero su uso se ha visto frustrado por un enigma de medio siglo de antigüedad:cinco estados vibratorios elevados que contienen la clave para comprender cómo interactúan los átomos de magnesio, pero que han eludido la detección durante 50 años.
Los catorce Mg más bajos 2 Los estados vibracionales se descubrieron en la década de 1970, pero tanto los experimentos tempranos como los recientes deberían haber observado un total de diecinueve estados. Como un caso frío cuántico los esfuerzos experimentales para encontrar los cinco últimos fracasaron, y Mg 2 fue casi olvidado. Hasta ahora.
Piotr Piecuch, Profesor distinguido de la Universidad Estatal de Michigan y profesor de química de la Fundación MSU, junto con los estudiantes graduados del Departamento de Química de la Facultad de Ciencias Naturales Stephen H. Yuwono e Ilias Magoulas, desarrollado nuevo, evidencia derivada computacionalmente que no solo dio un salto cuántico en los primeros principios de la química cuántica, pero finalmente resolvió el Mg de 50 años 2 misterio.
Sus hallazgos fueron publicados recientemente en la revista Avances de la ciencia .
"Nuestra investigación exhaustiva del dímero de magnesio confirma inequívocamente la existencia de 19 niveles vibratorios, "dijo Piecuch, cuyo grupo de investigación ha estado activo en química cuántica y física durante más de 20 años. "Al calcular con precisión las curvas de energía potencial en estado de suelo y excitado, la función del momento dipolar de transición entre ellos y los estados de vibración, no solo reproducimos los últimos espectros de fluorescencia inducida por láser (LIF), pero también proporcionamos orientación para la futura detección experimental de los niveles no resueltos anteriormente ".
Entonces, ¿por qué Piecuch y su equipo pudieron tener éxito donde otros habían fallado durante tantos años?
La persistencia de Yuwono y Magoulas ciertamente revivió el interés en el Mg 2 caso, pero la respuesta está en la brillante demostración del equipo del poder predictivo de las metodologías modernas de estructuras electrónicas, que acudió al rescate cuando los experimentos encontraron dificultades insuperables.
"La presencia de líneas de colisión que se originan cuando una molécula choca contra otra y el ruido de fondo enturbian los espectros LIF observados experimentalmente, "Explicó Piecuch." Para empeorar las cosas, los esquivos estados vibratorios elevados de Mg 2 que los científicos desconcertados durante décadas se disipan en el aire cuando la molécula comienza a girar ".
Los desaparecidos, estados vibratorios elevados de Mg 2 son claramente visibles aquí como líneas rojas derivadas computacionalmente. Los experimentos no pudieron detectar estas vibraciones, un enigma de décadas que el equipo de MSU finalmente resolvió. Crédito:Piecuch Lab
En lugar de realizar experimentos costosos, Piecuch y su equipo desarrollaron estrategias computacionales eficientes que simulaban esos experimentos, y lo hicieron mejor que nadie antes.
Como los estados vibracionales cuantificados de Mg 2 , las aproximaciones intermedias no eran aceptables. Resolvieron las ecuaciones de Schrödinger electrónicas y nucleares, principios de la física cuántica que describen los movimientos moleculares, con una precisión casi completa.
"La mayoría de los cálculos en nuestro campo no requieren los altos niveles de precisión que tuvimos que alcanzar en nuestro estudio y, a menudo, recurrimos a modelos computacionales menos costosos". pero proporcionamos pruebas convincentes de que esto no funcionaría aquí, ", Dijo Piecuch." Tuvimos que considerar todos los efectos físicos concebibles y comprender las consecuencias de descuidar incluso los detalles más pequeños al resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica ".
Sus cálculos reprodujeron los movimientos vibracionales y rotacionales derivados experimentalmente de Mg. 2 y los espectros LIF observados con notable precisión, del orden de 1 cm -1 , para ser exacto. Esto proporcionó a los investigadores la confianza de que sus predicciones con respecto al dímero de magnesio, incluyendo la existencia de los esquivos estados vibratorios elevados, fueron firmes.
Yuwono y Magoulas estaban claramente entusiasmados con el proyecto innovador, pero enfatizó que tenían dudas iniciales sobre si el equipo tendría éxito.
"Al principio, ni siquiera estábamos seguros de poder llevar a cabo esta investigación, especialmente considerando la cantidad de electrones en el dímero de magnesio y las precisiones extremas requeridas por nuestros cálculos de última generación, "dijo Magoulas, quien ha trabajado en el grupo de investigación de Piecuch durante más de cuatro años e imparte cursos de química cuántica de nivel superior en MSU.
"Los recursos computacionales que tuvimos que aportar al proyecto y la cantidad de datos que tuvimos que procesar fueron inmensos, mucho más grandes que todos mis cálculos anteriores combinados, "añadió Yuwono, quien también imparte cursos de química física en MSU y ha trabajado en el grupo de investigación de Piecuch desde 2017.
El caso de los estados vibratorios elevados de Mg 2 que los científicos eludidos durante medio siglo finalmente se cierra, pero los detalles de los cálculos que lo resolvieron están completamente abiertos y accesibles en el sitio web de Science Advances. Yuwono, Magoulas, y Piecuch esperan que sus cálculos inspiren nuevos estudios experimentales.
"La mecánica cuántica es una hermosa teoría matemática con el potencial de explicar los detalles íntimos de los fenómenos moleculares y otros fenómenos microscópicos, "Dijo Piecuch." Usamos el Mg 2 misterio como una oportunidad para demostrar que el poder predictivo de las metodologías computacionales modernas basadas en los primeros principios de la mecánica cuántica ya no se limita a lo pequeño, especies de pocos electrones ".
