In una recente pubblicazione in Scienza , i ricercatori dell'Università di Paderborn e del Fritz Haber Institute di Berlino hanno dimostrato la loro capacità di osservare i movimenti degli elettroni durante una reazione chimica. I ricercatori hanno studiato a lungo i processi su scala atomica che governano le reazioni chimiche, ma non erano mai stati in grado di osservare i movimenti degli elettroni mentre avvenivano.

Gli elettroni esistono sulle scale più piccole, avere un diametro inferiore a un quadrilionesimo di metro e orbitare attorno a un atomo a velocità di femtosecondi (un quadrilionesimo di secondo). Gli sperimentatori interessati all'osservazione del comportamento degli elettroni utilizzano impulsi laser per interagire con gli elettroni. Possono calcolare l'energia e la quantità di moto degli elettroni analizzando le proprietà degli elettroni espulsi dalla sonda dalla luce laser.

La sfida per i ricercatori è registrare eventi che si verificano su una scala di femtosecondi:devono prima eccitare un sistema con un impulso laser, quindi guarda i prossimi femtosecondi. Quindi, inviano un secondo impulso laser con un breve ritardo di pochi femtosecondi. Raggiungere questo livello di risoluzione è difficile, poiché i femtosecondi sono estremamente brevi:la luce può percorrere 300, 000 chilometri in un secondo, ma solo 300 nanometri in un femtosecondo.

Dopo essere stato eccitato con il primo impulso laser, gli elettroni di valenza degli atomi - elettroni all'esterno di un atomo che sono candidati per aiutare a formare legami chimici - possono riorganizzarsi per formare nuovi legami chimici, dando luogo a nuove molecole. A causa della velocità e della portata di queste interazioni, anche se, i ricercatori hanno solo ipotizzato come avvenga questo riordinamento.

Oltre ai metodi sperimentali, il calcolo ad alte prestazioni (HPC) è diventato uno strumento sempre più importante per comprendere queste interazioni a livello atomico, verifica delle osservazioni sperimentali, e studiare il comportamento degli elettroni durante una reazione chimica in modo più dettagliato. Un gruppo dell'Università di Paderborn guidato dal Prof. Dr. Wolf Gero Schmidt ha collaborato con fisici e chimici per integrare gli esperimenti con modelli computazionali.

Per comprendere meglio il comportamento degli elettroni durante una reazione chimica, Schmidt e i suoi collaboratori hanno utilizzato risorse di supercalcolo presso l'High-Performance Computing Center Stuttgart (HLRS) per modellare questo fenomeno. "Il gruppo sperimentale del Fritz Haber Institute è venuto da noi per questa ricerca, e in realtà avevamo già fatto la simulazione, " ha detto Schmidt. "In questo caso, la teoria era prima dell'esperimento, come avevamo fatto una previsione e l'esperimento lo ha confermato."

Messa a fuoco simile al laser

L'anno scorso, Il gruppo di Schmidt ha collaborato con sperimentalisti dell'Università di Duisburg-Essen per eccitare un sistema su scala atomica e osservare le transizioni di fase fotoindotte (PIPT) in tempo reale. Transizioni di fase:quando una sostanza passa da uno stato fisico a un altro, come l'acqua che si trasforma in ghiaccio, sono importanti nello studio e nella progettazione dei materiali, poiché le proprietà di una sostanza possono cambiare notevolmente a seconda dello stato in cui si trova.

Per esempio, il team ha scoperto che quando viene eccitato con un impulso laser, i cavi su nanoscala a base di indio cambierebbero essenzialmente da isolante a conduttore elettrico. Questi fili di indio, pur non necessariamente di immediato interesse tecnologico per le applicazioni elettroniche, servire come un buon banco di prova e una solida base per la verifica di simulazioni con esperimenti.

Quest'anno, il team voleva prendere ciò che aveva appreso in precedenza sui fili di indio e studiare le reazioni chimiche a un livello ancora più fondamentale:voleva monitorare come si comportano gli elettroni costituenti dopo essere stati eccitati da un impulso laser. "L'anno scorso, abbiamo pubblicato un Natura articolo che dimostrava la misurazione del movimento atomico su questa scala, " ha detto Schmidt. "Potremmo mostrare come gli atomi si sono mossi durante la reazione chimica. Quest'anno, siamo stati persino in grado di monitorare gli elettroni mentre avveniva la reazione".

In senso figurato, gli elettroni fungono da collante che lega chimicamente gli atomi insieme. Però, un impulso laser può espellere un elettrone, creando quello che i ricercatori chiamano un "fotobuco". Questi fotofori durano solo diversi femtosecondi, ma può portare alla rottura di legami chimici e alla formazione di nuovi legami. Quando il nanofilo di indio viene colpito da un impulso laser, il sistema forma un legame metallico, il che spiega il suo cambiamento di fase in conduttore elettrico.

Le simulazioni di supercalcolo consentono ai ricercatori di mettere in movimento i percorsi degli elettroni, infine aiutandoli a studiare l'intero "percorso" di reazione. I ricercatori eseguono simulazioni di principi primi, il che significa che iniziano senza ipotesi su come funziona un sistema atomico, quindi modellare computazionalmente gli atomi e i loro elettroni nelle condizioni sperimentali. Questi tipi di intensivi, i calcoli dei primi principi richiedono risorse di supercalcolo all'avanguardia, come quelli forniti dal Gauss Center for Supercomputing presso HLRS.

Tra il suo lavoro precedente e il suo progetto attuale, il team ora comprende meglio l'importante ruolo svolto dai fotobuchi nel modellare il modo in cui l'energia viene distribuita in un sistema, fornendo in definitiva ai ricercatori un metodo computazionale affidabile con cui simulare transizioni di fase estremamente veloci.

Chimica Complessa

Le attuali simulazioni del team consistono in circa 1, 000 atomi, quale, mentre piccolo, consente loro di ottenere un campione rappresentativo di come interagiscono gli atomi di un sistema e i loro elettroni costituenti. Il gruppo di Paderborn ha ricevuto aiuto dal team HLRS nell'ottimizzazione del proprio codice, permettendogli di funzionare in modo efficiente fino a 10, 000 core in parallelo. Schmidt ha spiegato che mentre la ricerca complessiva trarrebbe vantaggio dall'aumento delle dimensioni del sistema fino all'ordine di 10, 000 atomi, la fase successiva del lavoro del team è lavorare su sistemi più complessi.

"La ricerca attuale è un calcolo complesso, ma un sistema semplice, " ha detto. "Il nostro prossimo passo è sviluppare questa ricerca in relazione a fotocatalizzatori o sistemi che sono rilevanti per la produzione di energia su larga scala:vogliamo applicarla a un sistema reale". Comprendendo meglio i comportamenti degli elettroni nell'atomo livello, i ricercatori mirano a progettare materiali migliori per la conversione, trasporto, e immagazzinare energia.