Gli scienziati dell'Ames Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo modello computazionale che ha aperto il potenziale per rendere ancora di più uno dei loro strumenti di ricerca più potenti.

Uno strumento particolarmente importante nell'arsenale di un chimico è la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR). Uno spettrometro NMR misura la risposta dei nuclei atomici all'eccitazione con onde a radiofrequenza. Questo può fornire ai ricercatori informazioni a livello atomico sulla fisica, chimico, e proprietà elettroniche dei materiali, compresi quelli non cristallini. Polarizzazione nucleare dinamica (DNP) NMR è una versione "ultra" di NMR, che eccita gli elettroni spaiati nei radicali e trasferisce la loro polarizzazione ad alto spin ai nuclei nel campione in analisi, risultando più veloce, dati più dettagliati. Ames Laboratory ha sviluppato DNP-NMR per sondare firme chimiche molto deboli ma importanti, e ridurre i tempi sperimentali da giorni a minuti.

I metodi computazionali svolgono un ruolo importante nella comprensione da parte degli esperti di DNP-NMR, soprattutto per migliorare la progettazione e l'esecuzione di esperimenti che lo utilizzano. Fino ad ora, però, il lavoro è stato limitato nella portata, e i miglioramenti nelle tecniche DNP-NMR hanno teso a fare affidamento su un certo grado di "serendipità, "secondo Fred Perras, uno scienziato associato presso l'Ames Laboratory e un destinatario 2020 di un premio DOE Office of Science Early Career Research.

"Simulare il DNP è un problema complesso, " disse Perra, che ricerca modi per migliorare le tecniche NMR nel perseguimento dell'enfasi del Laboratorio Ames nella scoperta dei materiali. "Questa complessità deriva dal fatto che hai un numero molto elevato di spin che partecipano al processo. Per riprodurre miglioramenti sperimentali e prevedere cosa accadrà in un ipotetico esperimento, devi davvero essere in grado di eseguire queste simulazioni sulla stessa scala che hai nel tuo esperimento."

In genere questi calcoli scalano in modo esponenziale con il numero di giri nel sistema. Nelle tipiche simulazioni di dinamica di spin, questo è limitato a circa 5-12 giri; i computer non hanno la memoria per affrontare qualcosa di più grande.

I ricercatori hanno semplificato la simulazione escludendo inutili, e costoso, termini secondo Perras, in modo che i calcoli possano scalare in modo lineare anziché esponenziale. La nuova strategia consente simulazioni su vasta scala di sistemi di spin con migliaia di nuclei.

Le simulazioni hanno già trovato una caratteristica strutturale sconosciuta che consente maggiori miglioramenti del segnale in DNP-NMR, e la teoria avrà un'ampia applicazione in un'ampia varietà di indagini chimiche sui solidi in futuro.

La ricerca è ulteriormente discussa nel documento, "Simulazione Ab Initio su larga scala della polarizzazione nucleare dinamica con rotazione magica, " pubblicato in Journal of Physical Chemistry Letters .