Bastoncini luminosi, come quelli branditi da dolcetto o scherzetto e festaioli, si accendono a causa degli elettroni eccitati delle molecole nel colorante fluorescente contenuto. Gli elettroni accettano l'energia eccitante di una reazione chimica che si verifica quando una camera d'aria nel bastoncino luminoso si rompe e due fluidi entrano in contatto. Dopo aver eccitato a un livello di energia superiore, si rilassano a un'energia inferiore rilasciando una luce che può guidare i giovani cacciatori di caramelle in costume.
Il colore di un bastoncino luminoso offre un modo diretto per visualizzare l'energia di eccitazione, l'energia necessaria per inviare un singolo elettrone in uno stato eccitato. Ma questo fenomeno gioca ruoli di fondamentale importanza in numerose situazioni, come caricare un telefono cellulare, cellule di imaging con microscopia a fluorescenza e fotosintesi nelle piante. I ricercatori in più campi si affidano alla comprensione delle energie di eccitazione dei materiali nel loro lavoro, ma calcolare i loro valori è notoriamente difficile e diventa incredibilmente complesso per gli elettroni in composti e polimeri più grandi.
In un nuovo studio apparso questa settimana in Giornale di Fisica Chimica , i ricercatori della Temple University dimostrano un nuovo metodo per calcolare le energie di eccitazione. Hanno usato un nuovo approccio basato su metodi del funzionale della densità, che utilizzano un approccio atomo per atomo per calcolare le interazioni elettroniche. Analizzando un insieme di riferimento di piccole molecole e oligomeri, il loro funzionale ha prodotto stime più accurate dell'energia di eccitazione rispetto ad altri funzionali di densità comunemente usati, pur richiedendo meno potenza di calcolo.
Il funzionale densità ha un ampio potenziale di utilizzo grazie alla sua maggiore precisione e poiché è un funzionale non empirico, il che significa che non si basa sui dati di condizioni specifiche nel calcolo. Così, può essere universalmente applicato per affrontare questioni di chimica, fisica e scienza dei materiali.
"Abbiamo cercato di sviluppare un nuovo metodo che sia buono non solo per lo stato fondamentale (a energia più bassa), ma anche per lo stato eccitato. Abbiamo scoperto che poiché questo metodo fornisce una stima molto buona dell'energia di eccitazione, può essere ulteriormente applicato per studiare altre proprietà dinamiche, " disse Jianmin Tao, ricercatore assistente professore di fisica alla Temple University. "Questo funzionale può fornire nuove informazioni sull'energia di eccitazione o sulle proprietà correlate di molecole e materiali".
Il funzionale è particolarmente efficiente in termini di potenza di calcolo perché è semi-locale, e usa la densità elettronica in un punto di riferimento, così come le informazioni intorno al punto di riferimento per informare il calcolo. Come altri funzionali semilocali, però, il nuovo metodo ha margini di miglioramento nel calcolo delle energie di eccitazione per oligomeri coniugati, composti composti da più unità contenenti alternati legami singoli e multipli, che condividono elettroni delocalizzati.
Nel lavoro futuro, Tao intende applicare il funzionale allo studio di coloranti luminescenti e fluorescenti, che assorbono ed emettono luce di particolari lunghezze d'onda misurabili. Queste molecole sono preziose per la ricerca biomedica, dove possono essere usati per etichettare cellule o proteine specifiche al microscopio, o nei test diagnostici per rilevare particolari sequenze di DNA. Stimando le energie di eccitazione di questi materiali complessi, però, è un compito computazionalmente pesante.
"I coloranti sono generalmente grandi, oligomeri e polimeri coniugati, " ha spiegato Tao. "I loro spettri ottici possono essere sintonizzati con la manipolazione dello scheletro della molecola, quindi questo funzionale dovrebbe essere molto utile nella progettazione di materiali che emettono luce, grazie alla sua elevata efficienza computazionale e buona precisione, " disse Tao.
