Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado un nuevo modelo computacional que ha abierto el potencial para hacer que una de sus herramientas de investigación más poderosas lo sea aún más.

Una herramienta particularmente importante en el arsenal de un químico es la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN). Un espectrómetro de RMN mide la respuesta de los núcleos atómicos a la excitación con ondas de radiofrecuencia. Esto puede proporcionar a los investigadores información a nivel atómico sobre los aspectos físicos, químico, y propiedades electrónicas de los materiales, incluidos los que no son cristalinos. La polarización nuclear dinámica (DNP) NMR es una versión "ultra" de NMR, que excita electrones no apareados en radicales y transfiere su alta polarización de espín a los núcleos de la muestra que se analiza, resultando en más rápido, datos más detallados. El laboratorio Ames ha desarrollado DNP-NMR para sondear firmas químicas muy débiles pero importantes, y reducir los tiempos experimentales de días a minutos.

Los métodos computacionales juegan un papel importante en la comprensión de los expertos de DNP-NMR, especialmente para mejorar el diseño y ejecución de experimentos que lo utilicen. Hasta ahora, sin embargo, el trabajo ha sido de alcance limitado, y las mejoras en las técnicas de DNP-NMR han tendido a depender de algún grado de "serendipia, "según Fred Perras, un científico asociado en el laboratorio Ames y un ganador en 2020 de un premio DOE Office of Science Early Career Research Award.

"Simular DNP es un problema complejo, "dijo Perras, que investiga formas de mejorar las técnicas de RMN en la búsqueda del énfasis del Laboratorio Ames en el descubrimiento de materiales. "Esa complejidad proviene del hecho de que tienes una gran cantidad de giros que participan en el proceso. Para reproducir mejoras experimentales y predecir lo que sucederá en un experimento hipotético, realmente necesitas poder realizar estas simulaciones en la misma escala que tienes en tu experimento ".

Por lo general, estos cálculos se escalarían exponencialmente con la cantidad de giros que hay en el sistema. En simulaciones típicas de dinámica de espín, eso está limitado a aproximadamente 5-12 giros; las computadoras no tienen la memoria para hacer frente a algo más grande.

Los investigadores simplificaron la simulación al excluir innecesarios, y caro, términos según Perras, para que los cálculos pudieran escalar linealmente en lugar de exponencialmente. La nueva estrategia permite simulaciones a gran escala de sistemas de espín con miles de núcleos.

Las simulaciones ya han encontrado una característica estructural desconocida que permite más mejoras de señal en DNP-NMR, y la teoría tendrá una amplia aplicación a una amplia variedad de investigaciones químicas de sólidos en el futuro.

La investigación se analiza con más detalle en el documento, "Simulación ab initio a escala completa de polarización nuclear dinámica de giro de ángulo mágico, "publicado en el Revista de letras de química física .