Elettroni extra solvatati in acqua liquida, noti come elettroni idrati, sono stati segnalati per la prima volta 50 anni fa. Però, la loro struttura non è ancora ben compresa. ricercatori MARVEL dell'Università di Zurigo, L'ETH e il Centro nazionale di supercalcolo svizzero CSCS hanno ora compiuto un passo verso la soluzione del mistero. La loro carta, "Dinamica dell'elettrone idrato in massa dalla teoria della funzione d'onda di molti corpi, " è stato pubblicato in Angewandte Chemie .

il e ^- _aq specie è difficile da osservare direttamente perché è di breve durata e non può essere separata o concentrata. Ciò esclude l'utilizzo di approcci strutturali diretti, diffrazione o spettroscopia NMR per esplorarne la struttura. Sebbene alcune proprietà, inclusi gli spettri nelle regioni UV e IR e l'energia di legame, siano state osservate direttamente, la generale mancanza di misure sperimentali dirette della struttura dell'elettrone idrato richiede teoria.

La modellazione affidabile dell'elettrone idrato è impegnativa almeno quanto l'approccio sperimentale, e le limitazioni degli approcci computazionali applicati finora hanno portato a una notevole incertezza teorica. I ricercatori non hanno, Per esempio, stato in grado di concordare se l'elettrone idrato occupa o meno una cavità. Sebbene la maggior parte degli studi teorici suggerisca che lo fa, anche i modelli senza cavità si sono dimostrati accurati. Un altro punto di discussione è legato alla superficie distinguibile e alle strutture di massa dell'elettrone idrato.

Nella carta, i ricercatori Vladimir Rybkin e Jan Wilhelm dell'Università di Zurigo e Joost VadeVondele dell'ETH di Zurigo e del CSCS hanno utilizzato la prima simulazione di dinamica molecolare dell'elettrone idrato di massa basata sulla teoria della funzione d'onda correlata per fornire prove conclusive a favore di una cavità tetraedrica persistente composta da quattro molecole d'acqua. Hanno anche mostrato che non ci sono strutture stabili non cavitarie nell'elettrone idrato in massa.

Gli scienziati sono arrivati ​​al loro modello attraverso un'attenta considerazione di quali caratteristiche deve avere l'approccio più accurato. Volevano che fosse basato sulla dinamica molecolare per catturare la formazione e le trasformazioni dinamiche della cavità. Avevano bisogno di un livello di struttura elettronica correlato a molti corpi per evitare errori di delocalizzazione e per consentire gli effetti di correlazione che sono stati trovati cruciali nella previsione accurata della solvatazione dell'elettrone senza parametri empirici. Volevano che la simulazione fosse eseguita alla rinfusa in condizioni al contorno periodiche per evitare la formazione della struttura superficiale e, finalmente, il metodo dovrebbe fornire una descrizione accurata dell'acqua liquida.

La simulazione MD soddisfa tutti questi requisiti. Rappresenta la prima simulazione dinamica di una specie chimica complessa in fase condensata al livello della teoria della funzione d'onda correlata. Questo è stato il primo passaggio critico. Il secondo lo stava effettivamente realizzando. Tali calcoli sono stati tecnicamente impossibili fino a quando i recenti progressi, compresi quelli fatti nei loro stessi gruppi, hanno consentito calcoli massivamente paralleli della teoria dei molti corpi nella fase condensata su supercomputer all'avanguardia come quelli come CSCS. Tuttavia ci sono voluti circa 1 milione di ore nodo sul supercomputer Piz Daint, Il più veloce d'Europa.

Il modello ha mostrato che una cavità si forma entro 250 femtosecondi dopo che l'elettrone in eccesso è stato aggiunto all'acqua liquida imperturbabile. criticamente, la simulazione non è riuscita a trovare alcuna prova di strutture non cavitarie dell'elettrone idrato di massa in stati stabili o metastabili. Ciò fornisce prove teoriche molto più forti per il modello di cavità.